Предложения Рабочей группы

по энергоэффективности и возобновляемой энергетики РСПП

по вопросам развития и продвижения энергосберегающих технологий

на основе возобновляемых источников энергии

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время мировое сообщество признало, что в ближайшие десятилетия не предвидится открытие и освоение кардинально нового источника энергии. В связи с этим, основные надежды и ближайшие планы по развитию мирового энергетического комплекса обращены к Возобновляемым Источникам Энергии (ВИЭ). Важное значение в энергообеспечении теплом в мире, и особенно в России, займет теплоэнергетика использующая тепловые насосы.

Сегодня ситуация с энергоэффективными технологиями стремительно меняется. Это связано с ростом цен на энергоносители, формированием экологической культуры. В Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде тепловыми насосами активно оснащаются элитные индивидуальные дома.

При реальной рыночной экономике в России тепловые насосы имеют перспективу дальнейшего расширения применения, а производство тепловых насосов может стать соизмеримым с производством холодильных машин соответствующих классов.

Перспективные секторы внедрения тепловых насосов: жилищно-коммунальный, промышленные предприятия, курортно-оздоровительные и спортивные комплексы.

В ЖКХ теплонасосные установки находят наибольшее применение (в мировой и российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения.

1.  ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Тепловые насосы – это принципиально новая технология устройства систем отопления и горячего водоснабжения для зданий любого назначения, использующие тепло из низкопотенциальных источников окружающей среды. Применение тепловых насосов различной мощности является наиболее перспективным решением проблемы теплоснабжения и позволяет, в зависимости от сезонности и условий работы, достигать максимальной эффективности в работе.

1.1.  Принцип действия теплового насоса.

Принципиальную схему компрессионного теплового насоса можно представить следующим образом (рис.1)

В испарителе теплового насоса тепло от источника низкопотенциального тепла с невысоким температурным уровнем передается низкокипящей рабочей среде (например, фреону) теплового насоса. Полученный при испарении газ, сжимается компрессором. При этом температура газа повышается, и тепло на требуемом температурном уровне в конденсаторе передается теплопотребителю.

Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочей средой, после конденсатора она дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель.

1.2.  Энергетическая эффективность теплового насоса.

Тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора.

Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования (или коэффициентом трансформации) теплового насоса φ, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более.

1.3.  Экологическая эффективность тепловых насосов.

Теплонасосные установки, используя возобновляемую низкопотенциальную энергию окружающей среды и повышая ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивают в 3 – 7 раз меньше первичной энергии, чем при сжигании топлива. Тем самым, сберегая невозобновляемые энергоресурсы и защищая окружающую среду путем сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу – «Киотский протокол».

Таблица 1.

Сравнительная таблица экологической эффективности тепловых насосов по сравнению с традиционными котельными, работающим на органическом топливе. (расчеты выполнялись для котельных тепловой мощностью 1.163 Мвт (1.0 Гкал/час), с годовой выработкой тепловой энергии 2 616 Гкал ; расход топлива на ТЭЦ – 0,3 кг условного топлива на 1 квт/час; теплотворная способность : угля – 19,5 Мдж/кг, мазута – 39,0 Мдж/кг, природного газа – 33,24 Мдж/кг.).

В таблице 1. приведено сравнение экологической эффективности тепловых насосов в сравнении с традиционными котельными, работающими на органическом топливе.

Как видно из таблицы 1. тепловые насосы с коэффициентом преобразования энергии – 3,0 по сравнению с традиционными котельными имеют :

·  Почти в 2 раза меньше выбросов оксидов азота, серы и углерода, чем при работе на угле;

·  Более чем в 1,5 раза меньше, чем при работе на мазуте;

·  На 30% меньше, чем при работе на природном газе.

При коэффициенте преобразования энергии – 6,0 приведенные вредные выбросы сокращаются еще в 2 раза.

1.4.  Типы тепловых насосов.

По соотношению теплоноситель источника низкопотенциального тепла – теплоноситель потребителя тепла парокомпрессионные тепловые насосы подразделяются на следующие типы : воздух-воздух; воздух-вода; вода-воздух; вода-вода; грунт-воздух; грунт-вода.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

1.5.  Преимущества тепловых насосов

·  Энергоэффективность. Тепловые насосы эффективней традиционных систем отопления (на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит 3 – 7 кВт тепловой энергии);

·  Экономичность. Эксплуатационные затраты по получению тепловой энергии посредством тепловых насосов в 2 – 5 раз ниже, в сравнении с традиционными теплоэнергетическими системами, работающими на различных видах органического топлива;

·  Экологичность. Отсутствуют выбросы парниковых газов в атмосферу;

·  Универсальность. Единичный модуль теплонасосной системы контролирует отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха;

·  Совместимость. Тепловой насос сочетается практически с любой циркуляционной теплопроводной системой;

·  Надежность. Компактность, отсутствие внешнего оборудования. Автоматическое управление;

·  Длительный срок эксплуатации. Теплонасосная система исключительно долговечна. Срок службы –лет;

·  Безопасность. Нет процедуры сжигания топлива;

·  Стабильность. Система работает устойчиво, колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Отсутствует шум. Применяется мультизональный контроль.

2.  СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

В качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды используют воздух, воду (поверхностные, грунтовые и подземные) и грунт земли. Учитывая, что климатические условия практически всех регионов России предполагают отрицательные температуры в зимний период наиболее оптимальным является использование низпотенциального тепла грунтовых, подземных вод и ,непосредственно, самого грунта. В этом случае, необходимый съем тепла не зависит от температуры окружающей среды.

Следует отметить, что достаточно широкое применение получили и техногенные источники низкопотенциального тепла. Например, сточные воды ЖКХ, технологические воды производств, шахтные воды и т. д.

3.  ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.

3.1.  Масштабы применения тепловых насосов в мире.

В настоящее время, масштабы применения тепловых насосов огромны. Лидером по производству и использованию этих систем являются США (до 1.5 млн. установок в год), где нормы применения тепловых насосов в новом строительстве закреплены Федеральным законодательством страны. Большое количество тепловых насосов работает в Канаде, Японии и странах северной и центральной Европы (Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии). Швейцария лидирует по величине использования тепловых насосов на душу населения. По данным ЮНЕСКО, общий объем продаж тепловых насосов, выпускаемых за рубежом, приблизительно в 3 раза превышает объем продаж вооружений в мире. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%. .

Количество тепловых насосов установленных в Европе, по данным на 1996год

Страна

Жилой фонд*

Торгово-административный фонд

Промышленный фонд**

Всего на 1996год

Австрия

133100

4300

нет данных

137400

Дания

31300

2000

1000

34300

Франция

53000

61000

675

114675

Германия

363120

5300

300

368720

Греция

570840

266220

нет данных

837060

Италия***

800000

20000

нет данных

820000

Голландия****

2856

136

159

3151

Норвегия

13500

6400

726

20626

Испания

802000

411000

7390

1200390

Швеция

250000

нет данных

нет данных

250150

Швейцария

39500

3400

нет данных

42900

Англия

13900

414060

600

428560

Всего

3073116

>1193816

>11000

>4277932

* в том числе водяные отопители; ** в том числе районные системы; *** ориентировочно; **** только отопление

3.2.  Сферы применения тепловых насосов.

Тепловые насосы нашли широкое распространение как в теплоснабжении зданий различного типа (отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование), так и в технологических целях ряда производств:

·  Объекты жилищного строительства (коттеджи, многоквартирные дома);

·  Объекты социального назначения (административные здания, гостиницы, больницы, санатории, спортивные торговые и развлекательные центры и т. д.);

·  Производственные помещения различного типа;

·  Сельскохозяйственные объекты (теплицы, животноводческие
комплексы и т. д.);

·  Объекты пищевой промышленности (молочные, сыроваренные и колбасные производства и т. д.);

·  Объекты ЖКХ и ТЭК (ТЭС. ТЭЦ).

3.3.  Основные схемы отопления с применением тепловых насосов.

Воздушное отопление.

Основной отличительной чертой воздушных систем отопления является то, что обогрев осуществляется за счет подачи в помещения теплого воздуха. В развитых странах мира воздушное отопление начало вытеснять другие виды отопления в восьмидесятых годах прошлого века, и к настоящему времени до 80% коттеджей в Северной Америке и в Европе используют именно такие системы отопления. Современные гостиницы и офисные центры оснащаются исключительно воздушными системами отопления.

Основные преимущества воздушного отопления являются:

·  высокая эффективность (при прочих равных условиях воздушное отопление на 25...30% экономичней водяного);

·  безинерционность (прогрев помещения осуществляется за 20...40 мин);

·  возможность объединения систем отопления, кондиционирования и вентиляции;

К недостаткам воздушного отопления относят наличие громоздких систем воздуховодов, сложность монтажа и регулирования, повышенный шум. Однако применение тепловых насосов позволяет исключить эти недостатки при одновременном усилении преимуществ систем воздушного отопления. В случае использования тепловых насосв отпадает необходимость в воздуховодах, а разводка теплоносителя осуществляется скрытыми трубопроводами по зонам отопления, каждая из которых обслуживается индивидуальным тепловым насосом. Тепловой насос выдает в систему теплоноситель необходимых параметров (обычно с температурой 35°С в режиме отопления и 7°С в режиме кондиционирования). В качестве отопительных приборов используются водо-воздушные теплообменники (фанкойлы) канального или настенного типа. Каждый фанкойл оснащен микропроцессором и термостатом, обеспечивающими автоматическое поддержание заданного температурного режима в помещении. При использовании тепловых насосов типа «вода-вода» такая система отопления обеспечивает в режиме нагрева коэффициент преобразования энергии (СОР) не менее 5. В случае применения в качестве источника энергии атмосферного воздуха (тепловой насос типа «воздух-вода») среднесезонный СОР равен 2,5...3.

Теплый пол.

Системы водяного отопления типа «теплый пол» имеют ряд несомненных преимуществ:

·  Более высокая, чем у традиционных радиаторных систем эффективность

·  Более высокий комфорт за счет равномерного распределения температур по объему помещения

·  Экономия площади и более эстетичный интерьер за счет отсутствия отопительных приборов

Система «теплый пол» требует теплоносителя с температурой порядка +35°С, поэтому в случае применения теплового насоса показатели эффективности у нее примерно такие же, как и у воздушной системы отопления.

Замкнутая схема теплоснабжения.

Идеальным решением при создании систем отопления, кондиционирования и вентиляции крупных объектов является система, состоящая из замкнутого контура теплоносителя, температура в котором поддерживается с помощью геотермального котла (или же с помощью ТЭЦ, бойлера, солнечных водонагревателей), а температурный режим в каждой зоне обеспечивается с помощью тепловых насосов. Это обеспечивает полную автономность зон регулирования и существенную экономию топливно-энергетических ресурсов даже при использовании традиционных источников энергии. Такими системами оборудованы практически все многоэтажные здания в Японии; в США использование теплонасосных систем подобного типа является обязательным условием при получении разрешений на строительство общественных зданий. С 2006 года настоящий бум внедрения кольцевых теплонасосных систем начался в Росси. Все преимущества такой системы были продемонстрированы на примере гостиницы «Ирис Конгресс Отель» в Москве, построенной в 1990г. Этот объект в течение 15 лет был единственным примером использования теплонасосных установок в России, но начиная с 2006г. большинство новых проектов гостиниц сориентированы на использование замкнутых систем теплонасосного отопления.

Обогорев бассейнов.

Обогрев бассейнов является наиболее эффективным примером использования тепловых насосов. История практического внедрения тепловых насосов началась именно с этого применения. Подогрев воды в бассейнах требует значительных затрат энергии, практически независимо от времени года. С другой стороны, условия применения подогревателей идеальны для использования тепловых насосов, т. к. рабочий перепад температур невелик (при температуре воды в бассейне 27°С - в пределах 15...20°С). Это обеспечивает очень высокую эффективность схемы - для тепловых насосов "воздух-вода" - порядка 5, а для тепловых насосов "вода-вода" - не менее 7. Для закрытых бассейнов практикуется также установка тепловых насосов "воздух-вода" относительно небольшой мощности (примерно 100 Вт мощности на каждый квадратный метр зеркала воды), выполняющих функции осушителей воздуха. При этом полностью компенсируются потери воды и энергии от испарения, и обеспечивается нормальный уровень влажности в помещении.

4.  ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.

Энергетический баланс систем генерирования и потребления теплоты и электрической энергии «котельная – тепловые сети – система отопления здания (или технологическое теплоснабжение)» показывает, что среднестатистический коэффициент полезного использования энергии составляет не более 40%. Таким образом, около 60% тепловой энергии теряется с уходящими газами котельных и в тепловых сетях.

Серьезно, и в лучшую сторону, меняет ситуацию переход на децентрализованные системы теплоснабжения. В данном случае, тепловые насосы просто незаменимы.

Основными перспективами применения тепловых насосов в нашей стране является, конечно, создание, на их основе, децентрализованных систем теплоснабжения.

Во-первых, это приводит к значительному снижению потерь тепловой энергии, которые мы имеем при централизованном теплоснабжении (в системе «генерирующий источник тепловой энергии - тепловые сети - потребитель» теряется до 60% произведенного тепла).

Во-вторых, отпадает необходимость в строительстве или реконструкции дорогостоящих тепловых сетей и их обслуживании.

В-третьих, нет необходимости в транспортировке и хранении органического топлива.

В-четвертых, это автономные и эффективные системы теплоснабжения в удаленных и не газифицированных районах.

В-пятых, создание подобных автономных и эффективных систем теплоснабжения, потребляющих только электрическую энергию, позволит быстро осваивать новые площадки для жилищного строительства, сократить сроки строительства и, в соответствии с этим, понизить стоимость жилья.

И, последнее, высокая эффективность и экономичность тепловых насосов не может не повлиять на тарифы на тепло. Масштабное внедрение тепловых насосов в регионе позволит вызвать стабилизацию роста тарифов и, даже, снижение их роста.

Иллюстрацией этому является сравнение затрат на производство тепловой энергии котельными на органическом топливе и теплонасосной системой.

Таблица 3.

Оценка эффективности вариантов теплоснабжения энергосберегающего дома

Год

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Рост тарифов в % к предыдущему году (%)

Газ, реализуемый населению

125

130

140

140

135

135

135

130

130

130

Дизельное топливо

118,5

118

120

120

118

118

118

115

115

115

Электроэнергия для населения

125

125

125

125

120

120

120

115

115

115

Рост тарифов по годам (руб.)

Сжиженный газ, реализуемый населению

за м3

10 000

12 500

16 250

22 750

31 850

42 998

58 047

78 363

Дизельное топливо

за т

24 000

28 440

33 559

40 271

48 325

57 024

67 288

79 400

91 310

Электроэнергия для населения

за кВт-час

2,05

2,56

3,2

4

5

6,01

7,21

8,65

9,95

11,44

Рост стоимости топлива (руб.)

Газовый котел

33 662

43 761

61 265

85 771

Дизельный котел

66 179

78 091

93 709

Электроэнергия для электрич. котла

66 420

83 025

Электроэнергия для ТН 500%

13 284

16 605

20 756

25 945

31 134

37 361

44 834

51 559

59 292

68 186

Электроэнергия для ТН 400%

16 605

20 756

25 945

32 432

38 918

46 702

56 042

64 448

74 115

85 233

Прогноз роста тарифов и стоимости топлива

Сравнение экономической эффективности разных систем отопления

Газовый котел (сжиж. газ)

Дизельный котел

Электрический котел

Тепловой насос

Тепловой насос

Твердотопливный котел

Твердотопл. котел на пеллетах

Коэффициент преобразования энергии (СОР)

5

4

Тепловая мощность (кВт)

15

15

15

15

15

15

15

КПД (%)

90

90

100

-

-

80

80

Потребность топлива на 2160 час (МДж)

23 328

29 160

Теплотворная способность, МДж/кг(м3)

38,5

47

3,6

3,6

3,6

30,5

18

Потребность топлива (кг, м3, 36 МДж)

3 366

2 757

32 400

6 480

8 100

4 780

8 100

Цена энергоносителя (руб.)

10 000

24 000

2,05

2,05

2,05

3 500

3,5

за объем

м3

т

кВт*час

кВт*час

кВт*час

т

кг

Стоимость энергоносителя (руб.)

33 662

66 179

66 420

13 284

16 605

16 731

28 350

Стоимость оборудования (руб.)

87 000

67 000

50 000

Установка и монтаж (руб.)

50 000

20 000

20 000

20 000

20 000

Разрешительная документация

+

+

+

+

+

Обслуживание (руб.)

30 000

30 000

0

0

0

4 500

10 000

Общая стоимость установки (руб.)

87 000

70 000

Эксплуатационные затраты в год (руб.)

63 662

96 179

66 420

13 284

16 605

21 231

38 350

Итого за 1 год (руб.)

91 231

Расходы за 5 лет (руб.)

Итого расходы за 5 лет (руб.)

Расходы за 10 лет (руб.)

2

1

1

Итого расходы за 10 лет (руб.)

2

1

1

1

1

Таблица 4.

Изменения затрат на производство 1 Гкал тепловой энергии газовой котельной и теплонасосной системой в соответствии с прогнозом роста цен на энергоносители в период 2008 – 2012 гг.*

Год

Затраты на производство 1 Гкал тепловой энергии ( топливная составляющая ), руб

Газовая котельная

Теплонасосная система

2008

832,0

440,0

2009

1040,0

506,0

2010

1300,0

581,0

2011

1625,0

669,0

2012

2031,0

769,5

*) Расчеты выполнялись для газовой котельной и теплонасосной системы тепловой мощностью 1,163 МВт ( 1,0 Гкал / час ). Теплотворная способность природного газа : 33,24 Мдж/ нм3. Коэффициент преобразования энергии в тепловом насосе – 5.

*) Прогнозируемый рост цен на энергоносители: природный газ – 25% в год; электроэнергия – 15 % в год.

Сравнение аналогичных показателей для угольной котельной и теплонасосной системой демонстрирует значительное снижение затрат только по топливной составляющей. Так, при стоимости угля – 5 000 рублей за тонну затраты на производство 1 Гкал тепла составляют 1 600 рубле, в то время как для теплонасосной котельной аналогичный показатель равен 440 рублям.

4.1. Децентрализованные системы теплоснабжения.

Децентрализованные системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов имеют ряд неоспоримых преимуществ: нет необходимости в строительстве протяженных дорогостоящих тепловых сетей; тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя; топливо сжигается вне населенного пункта (города); себестоимость производимой тепловой энергии в несколько раз ниже, чем у традиционных источников теплоснабжения. Внедрение таких экономичных и экологичных технологий теплоснабжения в нашей стране перспективно, в первую очередь, во вновь строящихся районах городов и населенных пунктов, а также при реконструкции существующих систем отопления и горячего водоснабжения.

4.2. Снижение роста тарифов в теплоснабжении.

При сложившихся ценах на электроэнергию, природный газ, мазут и уголь, а также с учетом перспективы их неуклонного роста в будущем тарифы на отопление и горячее водоснабжение будут постоянно повышаться. Масштабное же использование теплонасосных установок в системах теплоснабжения городов и населенных пунктов должно привести к к стабилизации или даже к определенному снижению роста тарифов на тепло в жилищно-коммунальном хозяйстве (затраты на генерацию тепловой энергии с помощью тепловых насосов снижаются, в сравнении с традиционными энергоустановками : природный газ в 2, уголь – 4 и мазут –6 раз).

Из таблицы 4. видно, как выгодно отличается стоимость тепла, производимого тепловым насосом от стоимости тепла газовой котельной. Более отчетливо это видно из гистограммы. Сравнение данных показателей для теплового насоса и угольной котельной, свидетельствует о четырех кратном снижение стоимости тепловой энергии.

4.3. Создание высокоэффективных автономных систем теплоснабжения.

Особую актуальность внедрение теплонасосных технологий теплоснабжения приобретает в наиболее удаленных районах как страны, так и любого региона, особенно в негазифицированных районах. Создание подобных автономных систем, потребляющих только электрическую энергию позволит значительно уменьшить поставки органического топлива, существенно снизить затраты на строительство или восстановление дорогостоящих тепловых и и газовых сетей, сократить сроки строительства жилья. Комплексное использование тепловых насосов может стать стимулом к созданию локальной архитектуры энергосбережения различных регионов.

В качестве примера, можно привести коттеджный поселок, строительство которого планируется в 2009г. При выборе оптимальной системы отопления и ГВС поселка нами рассматривались два варианта : отопление и ГВС на основе индивидуальных газовых котлов, кондиционирование – сплит-системами и отопление, ГВС и кондиционирование на базе тепловых насосов. Как следует из рис. капитальные затраты в варианте с тепловыми насосами ниже на 24%, а эксплуатационные затраты в 3 раза соответственно.

Обеспечение отоплением, ГВС и кондиционированием ( газовые котлы)

коттеджного поселка (земельный участок – 7,5 га; 62 дома;кв. м.)

 

Обеспечение отоплением, ГВС и кондиционированием (тепловые насосы) коттеджного поселка (земельный участок – 7,5 га; 62 дома;кв. м.)

 

вода

 

канализация

 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всестороннее развитие и продвижение энергосберегающих технологий на основе ВИЭ и, в частности, тепловых насосов требует безусловной поддержки со стороны государства и обусловлено, прежде всего, следующими факторами.

·  Необходима четкая государственная политика в области использования теплонасосных технологий, подтвержденная соответствующими законодательными актами;

·  Необходима активная информационная поддержка технологий, на основе тепловых насосов, со стороны органов власти всех уровней;

·  Для повышения конкурентоспособности технологий, на основе тепловых насосов, требуется создание эффективных экономических механизмов, направленных на стимулирование производства необходимого технологического оборудования ;

·  Необходимо создание благоприятных инвестиционных условий для привлечения средств частного капитала в проекты с использованием тепловых насосов;

·  Необходимо создание нормативно-законодательной базы, обеспечивающей гарантии на обязательную покупку тепловой энергии, произведенной на предприятиях, использующих тепловые насосы.