Теплонасосные станции - АС ТЕПЛА

Перейти к контенту

Главное меню:

Теплонасосные станции

Промышленные системы > Источники тепла



БУДУЩЕЕ - ЗА ТЕПЛОНАСОСНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ


Теплоснабжение является одним из социально значимых секторов энергетики, в первую очередь, обеспечивающим жизненно важные благоприятные условия для проживания и работы людей.
Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии можно достичь с помощью тепловых насосов.
Применение теплонасосных установок, позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту (НПТ) до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения, является современным (хотя принцип действия теплового насоса (ТН) известен уже более 100 лет) и одним из наиболее эффективных способов экономии органического топлива в системах теплоснабжения.
При использовании теплонасосных технологий (ТНТ) независимо от типа ТН и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает в 1,2-2,5 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива. Столь высокая эффективность достигается тем, что ТН «вовлекает в дело» низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечную энергию) и техногенных источников (промышленные отходы, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40
гр. C, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.
Большим преимуществом схем теплоснабжения, создаваемых на базе теплонасосных установок (ТНУ) с электрическим приводом, является их высокая экологическая эффективность. Производство тепла с помощью ТНУ характеризуется весьма значительным энергосберегающим эффектом (20-70% в зависимости от типа ТНУ и замещаемого теплоисточника). Кроме того, оно позволяет приблизить тепловые мощности к местам потребления, т.е. минимизировать протяженность тепловых сетей.
Применение ТН для отопления показало, что экономически конкурировать с ними не в состоянии даже газовые котельные. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт.ч тепловой энергии, теплонасосная станция (ТНС) тратит лишь 0,2-0,35 кВт.ч электроэнергии (ЭЭ).



Теплонасосные технологии в мире


Думается, успешно сбудутся прогнозы Мирового энергетического комитета (МИРЭК): к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью ТН.
В настоящее время в мире работает более 30 млн ТН различной мощности - от нескольких кВт до сотен МВт. В США более 30% жилых зданий оборудованы ТН. В Швеции лишь за последние годы введены в действие более 100 ТНС (мощностью от 5 до 80 МВт). В Японии ежегодно продается 3 млн ТН (для сравнения, в США -1 млн). Благодаря Швейцарской национальной программе энергосбережения за три прошедших года в этой стране увеличено производство тепла с помощью ТНУ до 2250 ГВт.ч. Следует отметить, что для реализации этой программы инвесторам были выделены значительные дотации.
В ФРГ сокращение федеральной поддержки фирм, применяющих ТН, привело к снижению продаж ТН в 80-е гг. Сейчас на каждый кВт тепловой мощности ТН, запущенного в эксплуатацию, выплачивается компенсация (при том, что по производству экономичных котлов на жидком или газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия продолжает занимать одно из первых мест в мире).
Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран - общая тепловая мощность всех ТНУ в РФ составляет около 70 МВт (меньше, чем в Люксембурге). А ведь с учетом более жестких климатических условий, более длительного отопительного периода экономический и экологический выигрыш от применения ТН у нас будет намного выше, чем в Европе, США и Канаде.


Проблемы внедрения.


В настоящее время в России около 72% всей тепловой энергии производится централизованными источниками (мощностью более 20 Гкал/ч), остальные 28% - децентрализованными (в т.ч. автономными и индивидуальными -18%). Кроме того, незначительная часть спроса на тепловую энергию (4,5%) удовлетворяется за счет утилизации сбросного тепла от технологических установок. Доля тепла, получаемого от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), очень мала.
Почему же ТН до сих пор не заняли достойное место в схемах теплоснабжения в России? Анализ показал (кроме традиционно инертного отношения к новым разработкам) следующие причины.
Потребители теплоты в большинстве своем используют «высокотемпературную теплоту». Температура теплоносителя в расчетный период обычно составляет не менее 95
гр. C. Существующие ТН не могут ее поднять до таких значений и обеспечивают, как правило, 50-55 гр. С (в некоторых случаях - до 63 гр. С). Если температура теплоносителя должна в расчетный период превышать 55 гр. С, то требуется специальная подготовка: повышение площади теплообмена или использование пиковых подогревателей при низких наружных температурах. Для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений вполне достаточно было бы 65-80 гр. С, и такую проблему можно решить с использованием низкотемпературного отопления. Однако в существующих зданиях и сооружениях уже смонтирована теплосъемная аппаратура (радиаторы отопления), и поэтому потребуется их реконструкция.
Второй причиной надо назвать суровые климатические условия России. На большинстве ее территорий глубина промерзания грунта зимой доходит до 2 м. Прокладка коммуникаций для отбора тепла грунта на большей глубине значительно удорожает проекты.
Немаловажное значение имеет невостребованность круглогодичного использования тепла от вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
Кроме того, широкое внедрение ТН сдерживают относительно низкие цены на топливо.
Будет ли кто-нибудь спорить с тем, что ресурсы НПТ в России огромны? Несмотря на имеющиеся проблемы, использование ВИЭ актуально, поэтому можно и нужно использовать технологии утилизации НПТ для целей теплоснабжения с применением ТН.
Технический потенциал ВИЭ России составляет 105 млн т у.т./год. Эта цифра спустя десятилетие требует сверки и уточнения. Соответствующие работы (НИР по оценке потенциала и ТЭО производства тепловой энергии в России на основе использования НПТ), проведенные нами в последнее время, позволяют утверждать - фактически потенциал больше на 15-20%.
Согласно нашим расчетам, низкопотенциальной энергией нетрадиционных источников при отборе у них тепла, например, при снижении температуры хотя бы на 5
гр. С, можно было бы «покрыть» 20-30% суммарного теплопотребления страны, сэкономить миллионы т у.т. Однако существует ряд причин, сдерживающих использование НПТ от указанных источников. Среди этих причин главными являются:
• отсутствие заинтересованности со стороны государства;
• отсутствие льгот, стимулирующих более интенсивное применение теплонасосной техники;
• отсутствие нормативно-правовой документации.



Существующие разработки

В последние годы в научных коллективах и в ряде иных организаций РФ активизированы работы по созданию и внедрению ТН. Лидер по внедрению ТНУ - новосибирское ЗАО «Энергия», которое начиная с 1990 г. внедрило в России 125 ТН общей мощностью 64,3 МВт на 64 объектах различных отраслей промышленности и ЖКХ. Серийно выпускает ТН завод «Компрессор» (г. Москва). Внедрением ТН занимается ЗАО НПФ «Тритон-Лтд» (г. Нижний Новгород), ЗАО ОКБ «Карат» (г. Санкт-Петербург), ФГУП «Рыбинский завод приборостроения». Некоторый опыт утилизации НПТ грунта есть у ОАО «Инсолар-Инвест» (г. Москва). Новые ТН большой мощности, использующие в качестве рабочего тела углекислый газ, конструирует фирма «ЭКИП» (г. Москва). ТН небольшой мощности выпускаются ЗАО «Экомаш» (г. Саратов) и рядом других предприятий. Ведутся научно-исследовательские работы по созданию новых конструкций ТН.
Большой опыт по разработке и внедрению энергосберегающих технологий с использованием ТН накоплен в Межотраслевом научно-исследовательском институте экологии и топливно-энергетического комплекса (г. Пермь). Отдел энергосберегающих технологий и природоохранного оборудования (ЭТПО) этого НИИ с 1986 г. занимается проблемой использования ВЭР и ВИЭ.
В 1988 г. впервые в СССР была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессоров на одной из шахт в Пермской обл. с применением ТН.
В 2001 г. на шахте «Осинниковская» ОАО УК «Кузнецкуголь» (Кемеровская обл.) впервые в России внедрена опытно-промышленная технология утилизации НПТ шахтных вод для ГВС шахты.
В дальнейшем также была разработана и запатентована технология утилизации НПТ неочищенных сточных вод с помощью ТН, что позволило использовать бросовое тепло канализационных стоков для отопления зданий канализационных насосных станций. Осенью 2000 г. на РНС-3 «Гайва» (г. Пермь) эта технология была внедрена и уже в течение 5-ти сезонов полностью обеспечивает потребности насосной станции в отоплении и ГВС. В сравнении с электроотоплением себестоимость 1 Гкал тепла снизилась в 4,6 раза. Срок окупаемости проекта составил 1 год.
Разработана технология и рабочий проект установки по утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозбытовых стоков, взамен существующей угольной котельной в г. Кунгуре (Пермский край). Расчетная себестоимость вырабатываемого тепла в 4 раза меньше по сравнению с существующей угольной котельной. В настоящий момент ведутся пуско-наладочные работы.


Перспективы


Перспектива для ТН - широкое использование в жилом и общественном секторах. В общественных зданиях будут применяться современные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание (в режиме ТН) в холодный. С помощью ТНУ будет осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. Отопление и ГВС водопроводно-канализационных хозяйств городов и муниципальных образований будет осуществляться полностью за счет НПТ с применением ТН.
Источниками низкотемпературной теплоты для ТНУ в коммунальном хозяйстве могут служить грунтовая вода, наружный воздух, грунт, канализационные стоки, загрязненные и очищенные хозбытовые стоки, а также водопроводная вода.
Для систем теплоснабжения индивидуальных домов необходимо наличие постоянного температурного потенциала. Этому требованию отвечают грунт и грунтовые воды.

В рамках раздела «Энергоэффективность ЖКХ» Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика» отделом ЭТПО разработаны рекомендации по применению ТНТ и методика расчета технико-экономической эффективности ее использования в сфере ЖКХ. Оценка эффективности применения ТНТ проводилась в сравнении с традиционными источниками тепловой энергии (котельные, работающие на газе, угле, мазуте, электрокотлы). Принятая мощность сравниваемых источников - 1 Гкал/ч. Продолжительность работы в году -5496 ч, что соответствует длительности отопительного периода для Пермского региона.
Результаты расчетов показали, что эксплуатационные затраты для ТН в 3,69 раза меньше, чем для электрообогрева, в 1,3 раза меньше, чем для газовой котельной, в 2,44 раза меньше, чем для мазутной, в 1,9 раз меньше, чем для угольной.




Инициативные исследования, проведенные нами в последние годы на ТЭС АО «Пермэнерго», свидетельствуют об актуальности, целесообразности, необходимости использования низкопотенциальных источников тепла для снижения стоимости тепловой энергии, вырабатываемой ТЭЦ. Бросовое тепло, которое теряется в градирнях, возможно использовать для подогрева сырой химочищаемой воды, поступающей на восполнение потерь сетевой воды ТЭЦ.

В настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системы охлаждения технической воды ежегодно сбрасывают в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал тепловой энергии, что эквивалентно непроизводительному расходу 24-26 млн т у.т.
По предварительным расчетам, технически реализуемый (с помощью ТН) потенциал НПТ ТЭЦ в системе централизованного теплоснабжения может быть оценен в размере 70-80 млн Гкал/год, что равносильно годовой экономии 12-14 млн т у.т. Электрическая мощность, необходимая для этого приводам компрессоров ТНУ (при общей тепловой мощности ТНУ около 14 тыс. Гкал/ч), составит 2,3-2,5 тыс. МВт, расход ЭЭ - около 14 тыс. ГВт.ч/год, а выработанная с помощью ТНУ тепловая энергия - около 70 млн Гкал/год. При усредненном тарифе, принятом в расчетах, на тепло - 140 руб./Гкал, на ЭЭ - 300 руб./МВт.ч, - экономическая выгода составит не менее 5,6 млрд руб. и общие капиталовложения в ТНС в размере 18 млрд руб. окупятся за 3-3,5 года.
Оценки масштабов экономии энергоресурсов за счет применения ТН в системах централизованного теплоснабжения показывают: не менее 45-50% НПТ, образующейся на энергообъектах РАО «ЕЭС России», можно повторно вовлечь в теплоснабжение крупных городов. Поэтому НИОКР по созданию новых технологий на основе ТН, по освоению новых конструкций ТН и по созданию озонобезопасных хладагентов требуют самого серьезного внимания.
Для широкого внедрения теплонасосных технологий необходимо:
• создать законодательно-нормативную базу, способствующую внедрению технологий с применением ТНУ;
• разработать в ближайшие годы федеральную целевую программу;
• разработать и принять Федеральный закон «О возобновляемых источниках энергии»;
• для предприятий, разрабатывающих и внедряющих энергосберегающие технологии с применением ТН, предусматривать государственную дотацию и установить налоговые льготы, а также установить льготные тарифы на электроэнергию, потребляемую приводами ТН.


Д.т.н. Д. Г. Закиров, зав. отделом ЭТПО МНИИЭКО ТЭК,
генеральный директор АЭЗУ, г. Пермь






 
Назад к содержимому | Назад к главному меню