VIII. Использование возобновляемых энергоресурсов
По всей территории России зимой приходится обеспечивать подогрев воздуха в помещениях, где живут или работают люди. Оборудование для этих целей стоит колоссальные деньги. Естественной является жесткая конкуренция на рынке отопительного оборудования, а так как выбор лозунгов не очень велик, все говорят одно и то же: цена, качество, экология и энергосбережение. Иногда борьба за рынок напоминает информационную войну, в которой стороны говорят прямо противоположные вещи, не слушая друг друга.
С первой волны демократии к нам пришла эйфория крышных котельных, потом поквартирного отопления, а сейчас модно обсуждать мини-ТЭЦ.
Достойную конкуренцию пропагандистам децентрализации составляют производители ИТП и трубопроводов в ППУ изоляции.
Плохо то, что на чью-то сторону позволяют себе становиться политики и представители власти.
У централизованных систем теплоснабжения есть всего 5, но неоспоримых преимуществ:
- - вывод взрывоопасного технологического оборудования из жилых домов;
- - точечная концентрация вредных выбросов на источниках, где с ними можно эффективно бороться;
- - возможность работы на разных видах топлива, включая местное, мусоре, а также возобновляемых энергоресурсах;
- - возможность замещать простое сжигание топлива (при температуре 1500-2000 °С для подогрева воздуха до 20 °С) тепловыми отходами производственных циклов, в первую очередь теплового цикла производства электроэнергии на ТЭЦ;
- - относительно гораздо более высокий электрический КПД крупных ТЭЦ и тепловой КПД крупных котельных работающих на твердом топливе.
За исключением, в некоторых случаях варианта применения тепловых насосов, все остальные способы децентрализованного теплоснабжения не могут обеспечить такой комплекс преимуществ.
Критерием отказа от централизации является удельная стоимость системы ЦТ, которая в свою очередь зависит от плотности нагрузки. В Дании централизованные системы теплоснабжения оправданы при удельной нагрузке от 30 Гкал/км 2 , при нашем климате желательна большая плотность нагрузки.
Более правильно оценивать перспективность ЦТ через удельную материальную характеристику системы ЦТ равную произведению общей длины сети на средний диаметр, поделенному на суммарною присоединенную нагрузку (L сети × D ср / Q системы)
В Москве удельная материальная характеристика равна примерно 30. В некоторых городах доходит до 80. В поселениях или отдельных районах городов с удельной характеристикой больше 100 централизация противопоказания - небольшие доходы от реализации тепла при значительных капитальных затратах делают ЦТ неконкурентоспособным.
Конечно, эти подходы применимы при теплоснабжении от ТЭЦ. У крупных котельных нет будущего, с другой стороны, наличие системы тепловых сетей от крупной котельной позволяет инициировать проект строительства новой ТЭЦ. Именно отсутствие крупных тепловых сетей сдерживает реализацию в западных странах Европейской директивы о развитии когенерации.
Почему же в России децентрализованные системы теплоснабжения стали появляться и в крупных городах с развитым ЦТ:
- - низкое качество централизованного теплоснабжения в 90-е года ХХ в.;
- - завышение стоимости тепла в некоторых городах;
- - сложный, дорогой, забюрократизированный порядок подключения к ЦТ;
- - отсутствие возможности регулирования объемов потребления;
- - невозможность жителям самостоятельно регулировать включение и отключение отопления;
- - длительный срок летних отключений ГВС.
С точки зрения энергоэффективности обычно называются фантастически завышенные потери в тепловых сетях без учета тех факторов, что при называемых потерях системы ЦТ вообще не смогла бы работать и тепловые потери в системе от ТЭЦ приводят к значительно меньшим удельным потерям топлива.
Строительство новых децентрализованных источников на территории, охваченной системой ЦТ, не позволяет повысить ее удельную материальную характеристику, т.е. сдержать рост тарифов. Любая крышная котельная в зоне ЦТ - это удар по социалке. Хотя с другой стороны децентрализация некоторых районов с неплотной застройкой может оказаться чрезвычайно полезной. Надо, конечно, учитывать и роль децентрализации как конкурентного фактора для предприятий ЦТ.
В последние годы повышение качества работы предприятий ЦТ привело к снижению объемов строительства локальных источников в крупных городах.
- Домовые котельные в жилом секторе
В 90-е годы ХХ в. при плохом централизованном теплоснабжении наличие собственной котельной повышало привлекательность и стоимость жилья, сейчас ситуация изменилась в обратную сторону - наличие во дворе дома котельной с относительно невысокой трубой воспринимается покупателями квартир в крупных городах негативно.
В зонах неплотной застройки локальные источники - объективная необходимость и они составляют конкуренцию вариантам поквартирного отопления.
Отдельно надо сказать об опыте применений крышных котельных. К основным проблемам относятся:
- - отсутствие внятного собственника, т.к. котельная является коллективной собственностью жителей;
- - не начисление амортизации и длительной срок сбора средств на необходимые крупные ремонты;
- - видимый дым над зданием в холодную погоду с соответствующей индустриализацией пейзажа;
- - отсутствие системы быстрой поставки запасных частей.
Встречаются случаи повышенной вибрации; выхода из строя котлов из-за повышенной подпитки и образования накипи; отсутствие возможности замены котла без вертолета; отключения по газу как из-за аварий на газопроводах, так и из-за срабатывания автоматики котельных при снижении давления газа в холодную погоду.
В зонах неплотной застройки, где оптимально развито децентрализованное теплоснабжение обычно нет проблем с местом для размещения котельной, соответственно нет смысла ставить ее в буквальном смысле людям на голову.
- Поквартирное отопление
«Поквартирка» пришла к нам их теплых стран. Только в Италии 14 млн. квартир имеет поквартирное отопление. Но при итальянском климате централизация теплоснабжения бессмысленна, а подъезды и подвалы отапливать не надо.
В наших климатических условиях надо отапливать все помещения здания, иначе срок его службы сокращается в разы, то есть при наличии поквартирного отопления надо иметь и общую котельную для отопления остальных помещений.
Основные проблемы поквартирного отопления (ПО):
- Недопустимо использование ПО только в отдельных квартирах многоквартирных жилых домов. Дымоход приходится делать на стену здания, при этом продукты сгорания могут попадать в вышерасположенные квартиры.
- Допустимо применение котлов только с закрытой камерой сгорания и выделенным воздуховодом для забора воздуха с улицы.
- Должна быть обеспечена возможность доступа в квартиру при длительном отсутствии жильцов. Недопустимо длительное отключение котлов самими жителями в зимний период.
- Система ПО не должна применяться в зданиях типовых серий. Здание должно быть специально спроектировано под ПО. Основные причины этого - необходимость организации эффективного дымоудаления, т.к. на одном этаже к общему дымоходу может подключаться только один котел.
- Работа любых котлов установленных в квартирах будет периодической, т.е. в режиме включено-выключено. Это определяется тем, что мощность котла подбирается не по нагрузке отопления, а по пиковой нагрузке ГВС превышающей в несколько раз отопительную, а глубина регулирования мощности большинства котлов от 40 до 100%. Задача - избежать образования конденсата в газоходах, для этого они должны быть горизонтальными, теплоизолированными и иметь устройства сбора и нейтрализации конденсата.
Проблемы дымоудаления особенно обостряются в высотных зданиях, т.к. тяга не регулируется и меняется в больших пределах по высоте здания, а также при изменении погоды.
- Необходимость значительной мощности квартирного котла для обеспечения максимального расхода горячей воды определяет то обстоятельство, что суммарная мощность квартирных котлов в 2-2,5 раза превышает мощность альтернативной домовой котельной.
- Серьезной проблемой является свободный, неконтролируемый доступ к котлам детей и людей с поврежденной психикой. С другой стороны доступ специалистов для обслуживания часто бывает затруднен.
- Срок службы котлов 15-20 лет, но в наших условиях серьезные поломки происходят гораздо быстрее. Для предупреждения накипи в теплообменниках, обеспечения длительной работы мембраны и сальников желательна установка системы фильтров грубой и тонкой очистки воды. У нас их, практически, не ставят. Объем технического обслуживания обычно определяют сами жильцы, причем имеют право от него отказаться.
Часто поквартирное отопление называют «автономным» имея в виду, что в каждой квартире создается своя независимая от других жителей система отопления и ГВС. Фактически же поквартирное отопление здания - это жестко взаимозависимая по газу, воде, дымоудалению и теплоперетокам система с распределенным сжиганием.
С точки зрения энергоэффективности эта система проигрывает варианту автоматизированной домовой газовой котельной с поквартирным учетом и регулированием из-за полного отсутствия режимного регулирования процесса сжигания.
Экономическая выгодность ПО объясняется отсутствием в расчетах амортизационных отчислений и искусственно сдерживаемой ценой на бытовой газ (в большинстве других стран цены на газ для бытового потребления в 1,5-3 раза выше цены для крупных потребителей).
Еще одна из причин - желание руководителей администраций небольших муниципальных образований полностью снять с себя ответственность за теплоснабжение, переложив ее на самих жителей. В некоторых поселениях с несколькими двух-трехэтажными домами внедрение ПО действительно оправдано, т.к. эксплуатация мелких котельных при мизерном объеме реализации оказывается слишком дорогой для жителей.
Просим Вас оставлять свои замечания и предложения по стратегии . Для чтения документа выберите интересующий Вас раздел.
Энергосберегающие технологии и методы
Отсутствие горячей воды и тепла еще с давних пор является дамокловым мечом для многих петербургских квартир. Отключения происходят ежегодно, причем в самые неподходящие моменты. При этом наш европейский город остается одним из самых консервативных мегаполисов, преимущественно используя потенциально опасную для жизни и здоровья горожан централизованную систему подачи тепла. Тогда как ближайшие соседи уже давно используют инновационные разработки в этой сфере, считает "Кто строит в Петербурге".
Децентрализованное горячее водоснабжение (ГВС) и теплоснабжение до сих пор применялось лишь при отсутствии централизованного теплоснабжения или когда возможности централизованного обеспечения горячей водой ограничены. Инновационные современные технологии позволяют применять системы децентрализованного приготовления горячей воды при строительстве и реконструкции многоэтажных домов.
Локальное теплоснабжение имеет массу плюсов. В первую очередь улучшается качество жизни петербуржцев: отопление можно включать в любой сезон, независимо от среднесуточной температуры за окном, из крана течет гигиенически чистая вода, сокращается возможность размывов и ожогов и аварийность системы. Кроме того, система обеспечивает оптимальное распределение тепла, максимально исключает теплопотери, а также позволяет рационально учитывать потребление ресурсов.
Источником местного приготовления горячей воды в жилых и общественных зданиях являются газовые и электрические водонагреватели или водогрейные колонки на твердом или газовом топливе.
«Есть несколько схем организации децентрализованного отопления и горячего водоснабжения в многоквартирных домах: газовая котельная на дом и КТП в каждой квартире, газовый котел и КТП в каждой квартире, тепловые сети и КТП в каждой квартире», - рассказывает технический консультант по квартирным тепловым пунктам Алексей Леплявкин.
Газ не для всех
Газовые водонагреватели используют в газифицированных жилых домах высотой не более пяти этажей. В отдельных помещениях общественных зданий (в ванных комнатах гостиниц, домов отдыха и санаториев; в школах, кроме буфетов и жилых помещений; в душевых спортзалов и котельных), где неограничен доступ лиц, не обученных правилам пользования газовыми приборами, установка индивидуальных газовых водонагревателей не допускается.
Газовые водонагреватели бывают проточные и емкостные. Проточные быстродействующие водонагреватели устанавливают в кухнях жилых квартир. Рассчитаны они для двухточечного водоразбора. Более мощные, например, емкостные автоматические газовые водонагреватели типа АГВ применяют для совмещенного местного отопления и горячего водоснабжения жилых помещений. Допускается их установка и на кухнях общего пользования общежитий и гостиниц.
Квартирные тепловые пункты
Одним из прогрессивных технических решений в области повышения энергоэффективности и безопасности является применение КТП с индивидуальной внутриквартирной подготовкой горячей воды.
Автономное оборудование в таких схемах не предусматривает использование для ГВС сетевой воды, качество которой оставляет желать лучшего. Уход от низкого качества воды обеспечивается при переходе на закрытую систему, где используется городская вода системы ХВС, подогретая на месте потребления. По мнению главного специалиста ООО «Межрегиональная негосударственная экспертиза» Бориса Булина, ключевым моментом в вопросе энергоэффективности систем теплоснабжения являются системы теплопотребления зданий. «Максимальный эффект энергосбережения тепловой энергии в отапливаемых зданиях достигается только при применении децентрализованной внутридомовой схемы теплоснабжения зданий, то есть при автономном регулировании систем теплопотребления (отопление и горячее водоснабжение) в пределах каждой квартиры в сочетании с обязательным учетом расхода тепловой энергии в них же. Для реализации этого принципа теплоснабжения зданий ЖКХ необходима установка в каждой квартире КТП в комплектации с теплосчетчиком», - говорит эксперт.
Применение квартирных тепловых пунктов (в комплектации с теплосчетчиками) в схеме теплоснабжения многоквартирных зданий имеет много преимуществ по сравнению с традиционной схемой теплоснабжения. Основное из этих преимуществ – возможность владельцам квартир самостоятельно устанавливать необходимый экономичный тепловой режим и определять приемлемую оплату за потребленную тепловую энергию.
Труба будет проходить от КТП до точек водоразбора, поэтому в здании практически отсутствуют тепловые потери от трубопроводов системы ГВС.
Системы децентрализованного приготовления горячей воды и тепла могут использоваться в возводимых многоквартирных жилых домах, реконструируемых многоквартирных зданиях, коттеджных поселках или отдельно стоящих коттеджах.
Концепция такой системы имеет модульный принцип построения, поэтому открывает широкие возможности для дальнейшего расширения опций: подключение контура теплых полов, возможность автоматического регулирования температуры теплоносителя с помощью комнатного термостата, либо погодозависимой автоматики с датчиком наружной температуры.
Поквартирные тепловые пункты уже используются строителями в других регионах. В ряде городов, включая Москву, приступили к масштабному внедрению этих технических новинок. В Петербурге ноу-хау будет впервые использовано при строительстве элитного ЖК «Леонтьевский мыс».
Иван Евдокимов, директор по развитию бизнеса ГК «Портал групп»:
Свойственное для Петербурга центральное горячее водоснабжение имеет как свои преимущества, так и недостатки. Поскольку централизованное ГВС в городе налажено, то для конечного потребителя на сегодняшнем этапе это будет дешевле и проще. При этом в долгосрочной перспективе ремонт и развитие инженерных сетей требуют гораздо больших капиталовложений, чем если бы системы обеспечения горячей водой располагались ближе к потребителю.
Но если на центральной станции происходит какая-то авария или запланированный ремонт, то тепла и горячей воды лишается сразу целый район. Кроме того, подача тепла начинается в запланированный период, поэтому, если в городе резко наступают морозы в сентябре или мае, когда центральное отопление уже отключено, нагревать помещение приходится дополнительными источниками. Тем не менее, Правительство Санкт-Петербурга ориентируется на централизованное водоснабжение в силу геологических и климатических особенностей города. Кроме того, децентрализованные системы ГВС будут являться общей собственностью жителей многоквартирных домов, что наложит на них дополнительную ответственность.
Николай Кузнецов, руководитель отдела загородной недвижимости (вторичный рынок) АН «БЕКАР»:
Децентрализованное приготовление горячей воды является дополнительным преимуществом для потребителей с точки зрения экономии энергоресурсов. Однако установка индивидуальных котлов в домах влечет за собой сокращение полезной площади самого объекта. Для установки котла необходимо выделить помещение площадью от 2 до 4 метров, которое в противном случае можно было бы использовать в качестве гардеробной комнаты или кладовки. Разумеется, в доме ценность имеет каждый метр, поэтому некоторые клиенты могут переплачивать за услуги централизованного отопления, но сохранять драгоценные метры своего дома. Все зависит от потребностей и возможностей каждого покупателя, а также от назначения загородного дома. Если объект используется для временного проживания, то более выгодным вариантом считается децентрализованное отопление, при котором оплата будет производиться лишь за потраченные энергоресурсы.
Для застройщиков более выгодным вариантом является децентрализованное приготовление горячей воды, поскольку чаще всего компании не устанавливают котлы в дома, а предлагают выбрать, оплатить и установить их клиентам самостоятельно. На сегодняшний день данная технология уже активно используется в коттеджных поселках, расположенных как на территории города, так и области. Исключение составляют элитные проекты, в которых застройщик чаще всего все-таки устанавливает общую котельную.
К.т.н. А.В. Мартынов, доцент,
кафедра «Промышленные теплоэнергетические системы»,
Московский энергетический институт (ТУ)
(доклад на второй научно-практической конференции «Системы теплоснабжения. Современные решения», г. Звенигород, 16-18 мая 2006 г.).
Децентрализованные потребители, которые из-за больших расстояний от ТЭЦ не могут быть охвачены централизованным теплоснабжением, должны иметь рациональное (эффективное) теплоснабжение, отвечающее современному техническому уровню и комфортности.
Масштабы потребления топлива на теплоснабжение весьма велики. В настоящее время теплоснабжение промышленных, общественных и жилых зданий осуществляется примерно на 40+50% от котельных, что является не эффективным из-за их низкого КПД (в котельных температура сгорания топлива составляет примерно 1500 ОС, а тепло потребителю выдается при существенно более низких температурах (60+100 ОС)).
Таким образом, нерациональное использование топлива, когда часть тепла вылетает в трубу, приводит к истощению запасов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
Постепенное истощение запасов топливно-энергетических ресурсов в европейской части нашей страны потребовало в свое время развития топливно-энергетического комплекса в ее восточных районах, что резко увеличило затраты на добычу и транспорт топлива. В этой ситуации необходимо решить важнейшую задачу по экономии и рациональному использованию ТЭР, т.к. запасы их ограничены и по мере их уменьшения стоимость топлива будет неуклонно расти.
В связи с этим эффективным энергосберегающим мероприятием является разработка и внедрение децентрализованных систем теплоснабжения с рассеянными автономными источниками тепла.
В настоящее время наиболее целесообразным являются децентрализованные системы теплоснабжения, базирующиеся на нетрадиционных источниках тепла, таких как: солнце, ветер, вода.
Ниже рассмотрим только два аспекта вовлечения нетрадиционной энергетики:
Теплоснабжение на базе тепловых насосов;
Теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов.
Теплоснабжение на базе тепловых насосов
Основное назначение тепловых насосов (ТН) -отопление и горячее водоснабжение с использованием природных низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) и сбросного тепла промышленного и коммунально-бытового сектора.
К достоинствам децентрализованных тепловых систем относится повышенная надежность теплоснабжения, т.к. они не связаны тепловыми сетями, которые в нашей стране превышают 20 тыс. км, причем большая часть трубопроводов находится в эксплуатации сверх нормативного срока службы (25 лет), что приводит к авариям . Кроме этого, строительство протяженных теплотрасс сопряжено со значительными капитальными затратами и большими потерями тепла. Тепловые насосы по принципу действия относятся к трансформаторам тепла, в которых изменение потенциала тепла (температуры) происходит в результате подведенной извне работы .
Энергетическая эффективность тепловых насосов оценивается коэффициентами трансформации, учитывающими полученный «эффект», отнесенный к затраченной работе и КПД.
Полученный эффект - это количество тепла Qв, которое производит ТН. Количество тепла Qв, отнесенное к затраченной мощности Nэл на привод ТН, показывает, сколько единиц тепла получается на единицу затраченной электрической мощности. Это отношение μ=0Β/Νэлι
называют коэффициентом преобразования или трансформации тепла, который для ТН всегда больше 1. Некоторые авторы называют этот коэффициент КПД, но коэффициент полезного действия не может быть больше 100%. Ошибка здесь в том, что тепло Qв (как неорганизованная форма энергии) делится на Nэл (электрическую, т.е. организованную энергию) .
КПД же должен учитывать не просто количество энергии, а работоспособность данного количества энергии. Следовательно, КПД - это отношение работоспособностей (или эксергий) любых видов энергии :
где: Еq - работоспособность (эксергия) тепла Qв; Е N - работоспособность (эксергия) электрической энергии Nэл.
Так как тепло всегда связано с температурой, при которой это тепло получается, то следовательно работоспособность (эксергия) тепла зависит от температурного уровня T и определяется:
где τ - коэффициент работоспособности тепла (или «фактор Карно»):
q=(Т-Тос)/Т=1-Тос/
где Тос - температура окружающей среды.
Для каждого теплового насоса эти показатели равны:
1. Коэффициент трансформации тепла:
μ=qв/l=Qв/Nэл■
η=ΡΒ(τς)Β//=Ι*(τς)Β>
где: qв - удельное количество тепла, кДж/кг;
Qв - полное количество тепла, кДж/с;
/ - удельная затрата работы, кДж/кг;
1\1ЭЛ - электрическая мощность, кВт;
(tq)B - коэффициент работоспособности тепла =
1-Тос/Тв.
Для реальных ТН коэффициент трансформации составляет μ=3-!-4, в то время как η=30-40%. Это означает, что на каждый затраченный кВт.ч электрической энергии получается QB=3-i-4 кВт.ч тепла. Это является основным преимуществом ТН перед другими способами получения тепла (электрический нагрев, котельная и т.п.).
За несколько последних десятков лет во всем мире резко возросло производство тепловых насосов, но в нашей стране ТН до настоящего времени не нашли широкого применения.
Причин здесь несколько.
1. Традиционная ориентация на централизованное теплоснабжение.
2. Неблагоприятное соотношение между стоимостью электроэнергии и топлива.
3. Изготовление ТН проводится, как правило, на базе наиболее близких по параметрам холодильных машин, что не всегда приводит к оптимальным характеристикам ТН. Проектирование серийных ТН на конкретные характеристики, принятое за рубежом, существенно повышает как эксплуатационные, так и энергетические характеристики ТН.
Выпуск теплонасосного оборудования в США, Японии, ФРГ, Франции, Англии и других странах базируется на производственных мощностях холодильного машиностроения. ТН в этих странах применяются, в основном, для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилищного, торгового и промышленного секторов.
В США, например, эксплуатируется свыше 4 млн единиц тепловых насосов небольшой, до 20 кВт, производительности тепла на базе поршневых или ротационных компрессоров. Теплоснабжение школ, торговых центров, бассейнов осуществляется ТН теплопроизводительностью 40 кВт, выполняемыми на базе поршневых и винтовых компрессоров. Теплоснабжение районов, городов - крупными ТН на базе центробежных компрессоров с Qв свыше 400 кВт тепла. В Швеции из 130 тыс. работающих ТН более 100 - теплопроизводительностью 10 МВт и более. В Стокгольме теплоснабжение на 50% производится от ТН.
В промышленности тепловые насосы утилизируют низкопотенциальное тепло производственных процессов. Анализ возможности применения ТН в промышленности, проведенный на предприятиях 100 шведских компаний, показал, что наиболее подходящей сферой для применения ТН являются предприятия химической, пищевой и текстильной промышленности.
В нашей стране вопросами применения ТН начали заниматься с 1926 г. . В промышленности с 1976 г. работали ТН на чайной фабрике (г. Самтредия, Грузия) , на Подольском химико-металлургическом заводе (ПХМЗ) с 1987 г. , на Сагареджойском молочном комбинате, Грузия, в подмосковном молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» с 1963 г. Кроме промышленности ТН в то время начали применяться в торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в жилом доме (пос. Бу-курия, Молдова), в пансионате «Дружба» (г. Ялта), климатологической больнице (г. Гагра), курортном зале Пицунды.
В России в настоящее время ТН изготавливаются по индивидуальным заказам различными фирмами в Нижнем Новгороде, Новосибирске, Москве. Так, например, фирмой «Тритон» в Нижнем Новгороде выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до 2000 кВт с мощностью компрессоров Nэл от 3 до 620 кВт.
В качестве низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) для ТН наибольшее распространение находит вода и воздух. Отсюда наиболее часто применяемыми схемами ТН являются «вода-воздух» и «воздух-воздух». По таким схемам ТН выпускают фирмы: «Сагriг«, «Lеnnох», Westinghous», «General Electrik» (США), «Нitachi», «Daikin» (Япония), «Sulzer» (Швеция), «ЧКД» (Чехия), «Klimatechnik» (Германия). В последнее время в качестве НПИТ используют сбросные промышленные и канализационные стоки.
В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТН совместно с традиционными источниками тепла. При этом в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса (80-90% годового потребления), а пиковые нагрузки (при низких температурах) покрываются электрокотлами или котельными на органическом топливе.
Применение тепловых насосов приводит к экономии органического топлива. Это особенно актуально для удаленных регионов, таких как северные районы Сибири, Приморья, где имеются гидроэлектростанции, а транспортировка топлива затруднена. При среднегодовом коэффициенте трансформации м=3-4 экономия топлива от применения ТН по сравнению с котельной составляет 30-5-40%, т.е. в среднем 6-5-8 кг у.т./ГДж. При увеличении м до 5, экономия топлива возрастает примерно до 20+25 кг у.т./ГДж по сравнению с котельными на органическом топливе и до 45+65 кгу.т./ГДж по сравнению с электрокотлами.
Таким образом, ТН в 1,5-5-2,5 раза выгоднее котельных. Стоимость тепла от ТН примерно в 1,5 раза ниже стоимости тепла от централизованного теплоснабжения и в 2-5-3 раза ниже угольных и мазутных котельных.
Одной из важнейших задач является утилизация тепла сбросной воды тепловых электростанций . Важнейшей предпосылкой внедрения ТН являются большие объемы тепла, выбрасываемые в градирни. Так, например, суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период с ноября по март отопительного сезона составляет 1600-5-2000 Гкал/ч. С помощью ТН можно передать большую часть этого сбросного тепла (около 50-5-60%) в теплосеть. При этом:
На производство этого тепла не надо затрачивать дополнительное топливо;
Улучшилась бы экологическая обстановка;
За счет снижения температуры циркуляционной воды в конденсаторах турбин существенно улучшится вакуум и повысится выработка электроэнергии.
Масштабы внедрения ТН только в ОАО «Мосэнерго» могут быть весьма значительны и применение их на «сбросном» тепле гради-
рен может достигать 1600-5-2000 Гкал/ч. Таким образом, применение ТН на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшение вакуума), но и экологически (реальная экономия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов топлива и капитальных затрат) . Все это позволит в тепловых сетях увеличить присоединенную нагрузку.
Рис.1. Принципиальная схема системы теплоснабжения ВТГ:
1 - центробежный насос; 2 - вихревая труба; 3 - расходомер; 4 - термометр; 5 - трехходовой кран; 6 - вентиль;
7 - батарея; 8 - калорифер.
Теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов
Автономные водяные теплогенераторы (АТГ) предназначены для получения нагретой воды, которая используется для теплоснабжения различных промышленных и гражданских объектов.
АТГ включает в свой состав центробежный насос и специальное устройство, создающее гидравлическое сопротивление. Специальное устройство может иметь различную конструкцию, эффективность работы которой зависит от оптимизации режимных факторов, определяемых НОУ-ХАУ-разработками.
Одним из вариантов специального гидравлического устройства является вихревая труба, включаемая в систему децентрализованного теплоснабжения, работающая на воде .
Применение системы децентрализованного теплоснабжения весьма перспективно, т.к. вода, являясь рабочим веществом, используется непосредственно для отопления и горячего во-
доснабжения, тем самым делая эти системы экологически чистыми и надежными в эксплуатации. Такая децентрализованная система теплоснабжения была смонтирована и испытана в лаборатории Основ трансформации тепла (ОТТ) кафедры Промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) МЭИ.
Система теплоснабжения состоит их центробежного насоса, вихревой трубы и стандартных элементов: батареи и калорифера. Указанные стандартные элементы являются неотъемлемыми частями любых систем теплоснабжения и поэтому их наличие и успешная работа дают основания утверждать о надежной работе любой системы теплоснабжения, включающей эти элементы.
На рис. 1 представлена принципиальная схема системы теплоснабжения. Система заполнена водой, которая, нагреваясь, поступает в батарею и калорифер. Система снабжена переключающей арматурой (трехходовыми кранами и вентилями), которая позволяет осуществлять последовательное и параллельное включение батареи и калорифера.
Работа системы осуществлялась следующим образом. Через расширительный бачок система заполняется водой таким образом, чтобы из системы был удален воздух, что затем контролируется по манометру. После этого на шкаф блока управления подается напряжение, задатчиком температуры устанавливается температура воды, подаваемой в систему (50-5-90 ОС), и включается центробежный насос. Время выхода на режим зависит от заданной температуры. При заданной tв=60 ОС время выхода на режим составляет t=40 мин. Температурный график работы системы представлен на рис. 2.
Пусковой период системы составил 40+45 мин. Темп повышения температуры составил Q=1,5 град/мин.
Для измерения температуры воды на входе и выходе из системы установлены термометры 4, а для определения расхода - расходомер 3.
Центробежный насос был установлен на легкой передвижной подставке, изготовление которой можно осуществить в любой мастерской. Остальное оборудование (батарея и калорифер) стандартное, приобретаются в специализированных торговых фирмах (магазинах).
Арматура (трехходовые краны, вентили, уголки, переходники и т.д.) также приобретаются в магазинах. Система смонтирована из пластиковых труб, сварка которых осуществлялась специальным сварочным агрегатом, который имеется в лаборатории ОТТ.
Разность температур воды в прямой и обратной магистралях составила примерно 2 ОС (Δt=tnp-to6=1,6). Время работы центробежного насоса ВТГ составляло в каждом цикле 98 с, паузы длились по 82 с, время одного цикла равнялось 3 мин.
Система теплоснабжения, как показали испытания, работает устойчиво и в автоматическом режиме (без участия обслуживающего персонала) поддерживает первоначально заданную температуру в интервале t=60-61 ОС.
Система теплоснабжения работала при последовательном по воде включении батареи и калорифера.
Эффективность системы оценивается:
1. Коэффициентом трансформации тепла
μ=(Ο6+Οκ)/νν=ΣΟ/νν;
2. Коэффициентом полезного действия
где: 20 =Q6+QK - количество тепла, отданное системой;
W - количество электрической энергии, затраченное на привод центробежного насоса; tq=1-T0C/TB - коэффициент работоспособности тепла;
Тв - температурный уровень отданного тепла; Тос - температура окружающей среды.
При затраченной электроэнергии W=2 кВт.ч, количество произведенного тепла за этот период составило 20=3816,8 ккал. Коэффициент трансформации равен: μ=3816,8/1720=2,22.
КПД равен η=μτ =2,22.0,115=0,255 (~25%), где: tq=1 -(293/331)=0,115.
Из энергетического баланса системы видно, что дополнительное количество теплоты, выработанное системой, составляло 2096,8 ккал. На сегодняшний день существуют различные гипотезы, пытающиеся объяснить, как появляется дополнительное количество теплоты, но однозначного общепризнанного решения нет.
Выводы
1. Децентрализованные системы теплоснабжения не требуют протяженных теплотрасс, а следовательно - больших капитальных затрат.
2. Использование децентрализованных систем теплоснабжения позволяет существенно сократить вредные выбросы от сгорания топлива в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку.
3. Использование тепловых насосов в системах децентрализованного теплоснабжения для объектов промышленного и гражданского секторов позволяет по сравнению с котельными экономить топливо в количестве 6+8 кг у.т. на 1 Гкал выработанного тепла, что составляет примерно 30-5-40%.
4. Децентрализованные системы на базе ТН успешно применяются во многих зарубежных странах (США, Япония, Норвегия, Швеция и др.). Изготовлением ТН занимаются более 30 фирм.
5. В лаборатории ОТТ кафедры ПТС МЭИ смонтирована автономная (децентрализованная) система теплоснабжения на базе центробежного водяного теплогенератора.
Система работает в автоматическом режиме, поддерживая температуру воды в подающей магистрали в любом заданном интервале от 60 до 90 ОС.
Коэффициент трансформации тепла системы составляет м=1,5-5-2, а КПД равен около 25%.
6. Дальнейшее повышение энергетической эффективности децентрализованных систем теплоснабжения требует проведения научно-технических исследований с целью определения оптимальных режимов работы.
Литература
1. Соколов Е. Я. и др. Прохладное отношение к теплу. Известия от 17.06.1987.
2. Михельсон В. А. О динамическом отоплении. Прикладная физика. Т.III, вып. З-4, 1926.
3. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. - М.: Энергоиздат, 1982.
4. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: Издательство МЭИ, 1994.
5. Мартынов А. В., Петраков Г. Н. Двухцелевой тепловой насос. Промышленная энергетика № 12, 1994.
6. Мартынов А. В., Яворовский Ю. В. Использование ВЭР на предприятиях химической промышленности на базе ТНУ. Химическая промышленность № 4, 2000.
7. Бродянский В.М. и др. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоиздат, 1986.
8. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения - М.: Энергоиздат, 1981.
9. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
10. ДевянинД.Н., ПищиковС.И., Соколов Ю.Н. Тепловые насосы - разработка и испытание на ТЭЦ-28. // «Новости теплоснабжения», № 1, 2000.
12. Калиниченко А.Б., Куртик Ф.А. Теплогенератор с самым высоким КПД. // «Экономика и производство», № 12, 1998.
13. Мартынов А.В., Янов А.В., Головко В.М. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора. // «Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века», № 11, 2003.
От редакции : На второй научно-практической конференции «Системы теплоснабжения. Современные решения», которую уже традиционно проводит Некоммерческое Партнерство «Российское теплоснабжение», после ряда докладов, посвященных вихревым генераторам тепла, развернулась жаркая дискуссия. Собравшиеся пришли к выводу, что получение тепла в количестве, превышающем затраченную электроэнергию, свидетельствует о том, что современная наука еще не может указать источник этой энергии и его природу, а значит, пользоваться этим явлением следует с крайней осторожностью, т.к. влияние этой установки на окружающую среду и людей не изучены.
Это подтверждается и современными исследованиями. Например, на международной конференции «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы создания нетрадиционных источников энергии», состоявшейся 15-16 июня 2005 г. в Харькове, несколько групп исследователей из разных городов Украины сообщили, что они обнаружили радиационное излучение, создаваемое вихревым теплогенератором.
Так, например, специалисты Института технической теплофизики НАН Украины обнаружили участок на торце вихревой трубы с повышенным (в 1,3-1,9 раза) гамма-излучением по сравнению с фоновым значением. Информация о данном эксперименте была также опубликована в журнале «Промышленная теплотехника» (Киев) № 6, 2002 г. в статье Халатова А.А., Коваленко А.С., Шевцова С.В. «Определение коэффициента преобразования энергии в вихревом теплогенераторе типа ТПМ 5,5-1». Авторами статьи отмечено, что природа этого излучения пока не совсем понятна и требует дальнейшего изучения.
Перспективы развития децентрализованного
теплоснабжения
Развитие рыночных отношений в России коренным образом меняет принципиальные подходы к выработке и потреблению всех видов энергии. В условиях постоянного роста цен на энергоресурсы и их неизбежного сближения с мировыми ценами проблема энергосбережения становится по настоящему актуальной, во многом определяющей будущее отечественной экономике.
Вопросы разработке энергосберегающих технологий и оборудования всегда занимали значительное место в теоретических и прикладных исследованиях наших учёных и инженеров, но на практике в энергетику передовые технические решения внедрялись не достаточно активно. Государственная система искусственно заниженных цен на топливо (уголь, мазут, газ) и ложные представления о неограниченных запасах дешёвого, природного топлива в российских недрах привели к тому, что отечественная промышленная продукция является в настоящее время одной из самых энергоёмких в мире, а наше ЖКХ экономически убыточным и технически отсталым.
Малая энергетика ЖКХ оказалась заложницей большой энергетики. Ранее принятые коньюктурные решения о закрытии малых котельных (под предлогом их низкой эффективности, технической и экологической опасности) сегодня обернулись сверх централизацией теплоснабжения, когда горячая вода проходит от ТЭЦ до потребителя путь в 25-30 км, когда отключение источника тепла из-за неплатежей или аварийной ситуации приводит к замерзанию городов с миллионным населением.
Большинство индустриально развитых стран шло другим путем: совершенствовали теплогенерирующее оборудование повышая уровень его безопасности и автоматизации, КПД газогорелочных устройств, санитарно гигиенические, экологические, эргономические и эстетические показатели; создали всеобъемлющую систему учёта энергоресурсов всеми потребителями; приводили нормативно-техническую базу в соответствие с требованиями целесообразности и удобства потребителя; оптимизировали уровень централизации теплоснабжения; перешли к широкому внедрению
альтернативных источников тепловой энергии. Результатом такой работы стало реальное энергосбережение во всех сферах экономике, включая ЖКХ.
Наша страна находится в начале сложного пути преобразования ЖКХ, которое потребует проведения в жизнь многих непопулярных решений. Энергосбережение является магистральным направлением развития малой энергетики, движение по которому способно значительно смягчить болезненные для большей части населения последствия от роста цен на коммунальные услуги.
Постепенное увеличение доли децентрализованного теплоснабжения, максимальная приближения источника тепла к потребителю, учёт потребителем всех видов энергоресурсов позволят не только создать потребителю более комфортные условия, но и обеспечить реальную экономию газового топлива.
Традиционное для нашей страны система централизованного снабжения теплом через ТЭЦ и магистральные теплопроводы, известна и обладает рядом достоинств. В общем, объеме источников тепловой энергии на централизованные котельные приходится 68% , децентрализованные –28%, прочие –3% . Крупными теплофикационными системами вырабатывается около 1,5млрд.Гкал в год, из них 47% на твердом топливе,41% на газе, 12% на жидком топливе. Объемы производства тепловой энергии имеют тенденцию к росту примерно на 2-3% в год (доклад зам. министра энергетики РФ). Но в условиях перехода к новым хозяйственным механизмам, известной экономической нестабильности и слабости межрегиональных, межведомственных связей, многие из достоинств системы централизованного теплоснабжения оборачиваются недостатками.
Главным из которых является протяженность теплотрасс. Cсогласно сводным данным по объектам теплоснабжения 89 регионов РФ, суммарная протяженность тепловых сетей в двухтрубном исчислении составляет 183,3 млн.км. Cредний процент изношенности оценивается в 60-70% . Удельная повреждаемость теплопроводов в настоящее время выросла до 200 зарегистрированных повреждений в год на 100 км тепловых сетей. По экстренной оценке не менее 15% тепловых сетей требуют безотлагательной замены. Чтобы прервать процесс старения тепловых сетей и остановить их средний возраст на существующем сейчас уровне, необходимо ежегодно перекладывать порядка 4% трубопроводов, что составляет около 7300 км сетей в двухтрубном исчислении.Это потребует выделения примерно 40 млрд. . руб. в текущих ценах (доклад зам. министра РФ) .В дополнению к этому, за последние 10 лет в результате недофинансирования практически не обновлялся основной фонд отрасли. Вследствие этого, потери теплоэнергии при производстве, транспортировке и потреблении достигли 70%, что привело к низкому качеству теплоснабжения при высоких затратах.
Организационная структура взаимодействия потребителей и теплоснабжающих предприятий не стимулирует последних к экономии энергетических ресурсов. Система тарифов и дотаций не отражает реальных затрат на теплоснабжение.
В целом, критическое положение, в котором оказалась отрасль, предполагает в ближайшем будущем возникновение крупномасштабной кризисной ситуации в сфере теплоснабжения для разрешения которой потребуются колоссальные финансовые вложения.
Насущный вопрос времени – разумная децентрализация теплоснабжения, по квартирное теплоснабжение. Децентрализация теплоснабжения (ДТ) – наиболее радикальный, эффективный и дешёвый способ устранения многих недостатков. Обоснованное применения ДТ в сочетании с энергосберегающими мероприятиями при строительстве и реконструкции зданий даст большую экономию энергоресурсов в России. Вот уже четверть века в наиболее развитых странах не строят квартальных и районных котельных. В сложившихся сложных условиях единственным выходом является создание и развитие системы ДТ за счёт применения автономных тепло источников.
По квартирное теплоснабжение – это автономное обеспечение теплом и горячей водой индивидуального дома или отдельной квартиры в многоэтажном здании. Основными элементами таких автономных систем является: теплогенераторы – отопительные приборы, трубопроводы отопления и горячего водоснабжения, системы подачи топлива, воздуха и дымоудаления.
Сегодня разработаны и серийно выпускаются модульные котельные установки, предназначенные для организации автономного ДТ. Блочно-модульный принцип построения обеспечивает возможность простого построения котельной необходимой мощности. Отсутствие необходимости прокладки теплотрасс и строительства здания котельной снижают стоимость коммуникаций и позволяют существенно повысить темпы нового строительства. Кроме того, это дает возможность использовать такие котельные для оперативного обеспечения теплоснабжения в условиях аварийных и чрезвычайных ситуаций в период отопительного сизона.
Блочные котельные представляют собой полностью функционально законченное изделие, оснащены всеми необходимыми приборами автоматики и безопасности. Уровень автоматизации обеспечивает бесперебойную работу всего оборудования без постоянного присутствия оператора.
Автоматика отслеживает потребность объекта в тепле в зависимости от погодных условий и самостоятельно регулирует работу всех систем для обеспечения заданных режимов. Этим достигается более качественное соблюдение теплового графика и дополнительная экономия топлива. В случае возникновения нештатных ситуаций, утечек газа, система безопасности автоматически прекращает подачу газа и предотвращает возможность аварий.
Многие предприятия, сориентировавшиеся к сегодняшним условиям и просчитав экономическую выгоду, уходят от централизованного теплоснабжения, от отдалённых и энергоёмких котельных.
ОАО *Левокумскрайгаз* имело энергоёмкую котельную с четырьмя котлами «Универсал-5» балансовой стоимостью в 750 тыс. рублей, теплотрассу общей протяжённостью 220 метров и стоимостью 150тыс. рублей (рис. 1).
Ежегодные затраты на ремонт и поддержания котельной, системы отопления в исправном состоянии составляли 50 тыс. рублей. В течении отопительного периода 2001-2002г затраты на содержания обслуживающего персонала
(80т.р.), электроэнергию (90т.р.), воду(12т.р.), газ(130т.р.), автоматику безопасности (8 т.р.) и пр. (30 т.р.) составили 340 т.р.
В 2002 году райгазом была демонтирована центральная котельная, и были установлены в административном 3-х этажном корпусе (общей отапливаемой площадью 1800кв.м), два 100-киловатных отопительных бытовых котла Зеленокумского сельмаша и в производственном корпусе (500кв.м) установлено два бытовых котла (Дон-20) для отопления и горячего водоснабжения.
Реконструкция обошлась предприятию в 80 тыс. р. Затраты на газ, электроэнергию, воду, зарплата одному оператору составили за отопительный период 110т.р.
Доходы от продажи высвободившегося оборудования составили 90т.р, а именно:
ШГРП (шкафной газорегуляторный пункт) -- 20 т.р
4 котла «Универсал» -- 30 т.р
два центробежных насоса -- 10 т.р
автоматика безопасности котлов -- 20 т.р
электрооборудование, запорная арматура и пр. -- 10 т.р
Здание котельной было переоборудовано в мастерские.
Отопительный период 2002-2003 гг. прошел успешно и гораздо менее затратно, чем предыдущие.
Экономический эффект от перехода ОАО «Левокумскрайгаз» на автономное теплоснабжение составил ориентировочно в год 280 тыс. р., а продажа демонтированного оборудования покрыла затраты по реконструкции.
Другой пример.
В с. Левокумском имеется котельная, которая обеспечивает теплом и горячей водой поликлинику и инфекционный корпус Левокумского ТМО, находящаяся на балансе Левокумских теплосетей (рис. 2). Стоимость котельной 414 тыс.р., стоимость теплотрасс 230тыс. р. Протяжённость теплотрасс составляет около 500 м. Из-за длительной эксплуатации и изношенности сетей ежегодно идут большие потери тепла в теплотрассах. Затраты на ремонт сетей в 2002 г. составили около 60 т.р. Затраты, сложившиеся в отопительный период
