Внедрение теплонасосных установок, как экономичного и экологичного теплоснабжения

Обеспечение жизнедеятельности человека всегда связано с созданием необходимых тепловых режимов. Летом - это охлаждение и кондиционирование, зимой - отопление и вентиляция. В структуре городского хозяйства отопление занимает важное место. Уже сегодня, несмотря на дотации в оплате жилья, стоимость коммунальных услуг достаточно высока, а отопление составляет больше ее половины.

В связи с этим и для сотрудников коммунального хозяйства, и для жителей, еще более актуальным становится вопрос снижения тепловых потерь, которые напрямую ведут к финансовым затратам: эксплуатация котельных, теплотрасс, трубопроводов, устранение аварийных и нештатных ситуаций, низкий КПД оборудования, потери тепла в теплотрассах.

В странах-членах ЕС повышению энергоэффективности жилищно-коммунального сектора экономики всегда, а последнее время - особенно, уделялось значительное внимание. В Украине потенциал энергосбережения за счет повышения энергоэффективности ЖКХ пока еще является недооцененным. Развитые страны очень быстро реализуют проекты по энергосбережению. Так, например, концепция "Экодом" (дома класса А, по энергетической классификации имеет почти нулевые затраты энергии) в ЕС уже вышел далеко за рамки экспериментального строительства. Украина только сейчас начала осознавать необходимость разработки новой государственной энергетической политики, в основу которой должны быть положены стремление к уменьшению энергозависимости страны и экологической нагрузки на окружающую среду.

Горизонтальный грунтовый тепловой насос

Новое отношение к энергобезопасности Украины заключается в том, что усилия в области энергосбережения перемещаются от промышленности и транспорта в коммунальной отрасли, главным образом к жилищному сектору, где на цели обогрева неэффективно расходуется примерно половина всех природных энергоресурсов страны. Учитывая эту тенденцию, можно сформулировать ряд мероприятий по оптимизации энергоснабжения и энергопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве. Одним из самых эффективных таких мероприятий в нашем городе является внедрение теплонасосных установок (ТНУ), прежде всего в новые проекты домов, а также замена устаревшего оборудования в уже существующих.

ТНУ - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления зданий за счет использования тепла низкопотенциальных источников (тепло почв, грунтовых, артезианских вод, озер, морей, тепло воздуха) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Идея ТНУ была известна более 150 лет назад, но практическое применение она получила только в 20-х - 30-х годах прошлого века.

Вертикальный грунтовый тепловой насос

Тепловой насос часто называют «братом холодильника», потому что принцип работы ТНУ и холодильника одинаков. Только холодильник аккумулирует холод, выбрасывая тепло наружу, а тепловой насос аккумулирует тепло, выбрасывая холод. В ТНУ, как и в холодильнике, есть испаритель, компрессор, конденсатор и дроссельный устройство. Для ТНУ подбирают фреон, который закипает даже при минусовой температуре. Тогда испарение происходит и при температурах, близких к нулю. Полученный пар сжимается компрессором, при этом температура его увеличивается до 90-100° С. После этого сжатый шарообразный фреон поступает в теплообменник, в котором конденсируется и охлаждается, возвращаясь в первоначальное жидкое состояние, а его тепло передается окружающей среде (например, воде системы отопления). Охлажденный фреон, проходя через дроссельный устройство, теряет давление и возвращается в испаритель для повторения цикла.

Источником тепла для испарения фреона могут служить атмосферный воздух или вентиляционные выбросы, промышленные выбросы газов, воды естественных водоемов, грунтовые воды, сбросные воды систем охлаждения промышленного оборудования, канализационные стоки, почвы. На практике это выглядит так: трубки испарителя закапывают на глубину промерзания в землю, или размещают на дне водоема, либо устанавливают на пути прохождения воздуха или газа и т.п.

Воздушный тепловой насос

Эффективность ТНУ оценивается отношением теплоты, которая отдается потребителю, к затраченной работе привода компрессора и циркуляционных насосов. В зависимости от разницы температур источника энергии и среды потребителя, от свойств фреона и некоторых других факторов, это соотношение колеблется в диапазоне от 1,5 до 7,0. То есть, говоря простым языком, КПД ТНУ может достигать 700%. Электрическим и газовым котлам такое не под силу.

Ценность тепловых насосов заключается в возможности их эксплуатации в реверсном режиме - летом вместо отопительного устройства ТНУ может выполнять функции кондиционера, если вместо радиаторов в системе отопления использовать фанкойлы. Причем в этом случае КПД еще выше - до 15 и более единиц. Такая эффективность обусловлена тем, что охлажденная рабочая жидкость может напрямую подаваться в дом, принося прохладу и относя тепло, без участия компрессора (случай грунтового теплового насоса). Итак, особенно выгодным является использование теплового насоса в случаях, когда потребителю нужны и холод, и тепло - то есть в условиях нашего климата.

Водяной тепловой насос

Другими позитивными характеристиками ТНУ, кроме экономичности и эффективности, считается их универсальность, экологическая чистота, практически полное отсутствие шума, полная автоматизация системы, отсутствие эксплуатационных расходов (кроме электричества на работу самого агрегата), безопасность и надежность. Компрессорам ТНУ производители обещают минимум 10-15 лет безупречной службы. На современные спиральные компрессоры (типа Scroll) обещают еще больше - 20 - 25 лет.

При всех достоинствах и недостатках ТНУ есть еще один момент, на который следует обратить внимание. Эффективность насоса зависит от многих факторов термодинамического, конструктивного и экономического характера. Для каждого конкретного случая необходимо определять с помощью технико-экономических расчетов целесообразности применения выбранного типа ТНУ. Дело в том, что упрощенный подход к выбору схемного решения, комплектующих, мощности вполне может привести к потере преследуемых установкой цели. В каждом случае, при проектировании и реализации проекта, должен быть тщательный, индивидуальный подход. Также, выбор типа ТНУ во многом зависит от того, какой источник низкопотенциального тепла находится поблизости. В Крыму, например, как источник тепла можно использовать воздух или море, в Карпатах - горные породы, в центральных или восточных регионах - почвы. Именно эти источники энергии обладают максимальным потенциалом, стабильностью, независимостью от погодных и сезонных условий и только их экономический потенциал способный в долгосрочной перспективе заместить весь потенциал традиционных источников энергии. Весь экономический потенциал других нетрадиционных возобновляемых источников энергии способен обеспечить замещение только около 30% энергобаланса страны и может быть рассмотрен в качестве вспомогательного.

Работу по выбору оборудования лучше всего доверить специалистам по теплонасосной оборудованию, которых в Украине, впрочем, как и насосов, пока можно сосчитать по пальцам. Так как украинский рынок ТНУ только зарождается. Здесь рассчитывают набирать обороты такие европейские компании, как Danfoss, Junkers, Buderus, IVT, Viessmann, Vaillant, Thermia и др. Некоторые марки теплонасосного оборудование завозят украинские компании, получая их непосредственно от производителя, некоторые поступают в страну через официальные представительства.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Отечественному производителю места в этом сегменте рынка, вероятно, не достанется. Чтобы играть наровне с мировыми гигантами отопительного оборудования, надо было вступать в игру хотя бы лет на десять раньше. Организация отечественного производства ТНУ в Украине возможна только при активной поддержке государства в виде финансирования проектов развития отечественного производителя, предоставление ему льгот и кредитов, элементарной рекламы данного оборудования, наконец, согласно «Концепции развития топливно-энергетического комплекса Украины на 2006-2030 годы», подобная поддержка должна существовать.
В США, Китае, Японии, в странах Европы производство теплонасосных установок уже давно поставлено на поток. По прогнозу Международного Энергетического Агентства (IEA) до 2020 г. в развитых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%.

В Украине существуют и успешно функционируют ТНУ, но их количество очень мала. Часть установок были реализованы, как экспериментальные, отечественными научно-исследовательскими объединениями и несколькими промышленными предприятиями для собственных нужд, но при их создании все равно использовалась элементная база зарубежного оборудования. Остальное - это тепловые насосы вполне импортного производства, предназначенные для отопления и горячего водоснабжения жилых зданий. В текущем году количество проданного в Украине оборудование исчисляется в десятках единиц, хотя пару лет назад речь шла о единичных продажах.

Почему все-таки формирование украинского рынка и внедрение ТНУ так сильно затянулось? Среди препятствий выделим главные. Первое - отсутствие государственной поддержки. Во всех странах мира внедрение теплонасосных технологий сопровождалось специальными тарифами на электричество для пользователей ТНУ, субсидиями и кредитами для тех, кто покупал или проводил это оборудование. В Украине же о такой поддержке пока говорить рано. Вторая преграда, как уже упоминалось, ТНУ - оборудование не из дешевых, а текущие тарифы на энергоносители еще не прижали потребителя как следует, а только собираются это сделать в ближайшем будущем. Для примера, стоимость одноконтурного насоса мощностью 15-20 кВт (согласно прогнозам компании Junkers, подобная установка будет в высшем спросе на Украине) составляет около 10 тыс. евро, плюс-минус 15-20% в зависимости от производителя, его системы дистрибуции и сервисной поддержки. Для рядового украинского потребителя это немалые деньги. И третье препятствие - это «советское мышление» людей. Многие весьма скептически относится к технологиям будущего, не проверенных на практике в наших условиях.

Итак, весьма перспективным сегментом рынка для реализации ТНУ является жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), которое потребляет около четверти топливно-энергетических ресурсов страны. Мы имеем широкие возможности для использования источников низкопотенциального тепла всех видов (почвы, воздуха, геотермальные воды, благоприятные климатические условия. Нам остается лишь разработать «умные» проекты внедрения их в системы теплоснабжения.

Источник