Профпереподготовка – это вид дополнительного образования, позволяющего специалисту сменить профессию. Так, геодезист может стать геологом, архитектор — дизайнером и так далее. Переподготовка – это упрощенный вариант получения второго высшего или средне-специального образования. Чтобы не проходить долговременное обучение в вузе, можно в короткие сроки пройти профессиональную переподготовку. Такое обучение дешевле и экономит время.
Курсы профпереподготовки длятся от 250 академических часов. После обучения выпускники получают диплом о переподготовке, позволяющий сменить род деятельности или официально занять в организации должность, соответствующую освоенной специальности.
Повышение квалификации – это курсы обновления или улучшения знаний и навыков специалистов. По профстандартам обучение проводится с периодичностью в 3-5 лет, поскольку технологии и методы работ постоянно совершенствуются. Чтобы изучить изменения в аспектах деятельности, специалисты проходят курсы повышения квалификации.
Продолжительность курсов — от 16 до 249 часов. После обучения специалисты получают удостоверение о повышении квалификации, а также сертификаты или аттестационные листы (если требуются по ведомственным нормативам).
Применение любых тепловых насосов (ТН) часто вызывает споры в части целесообразности их внедрения. Как и у любого инновационного продукта, у тепловых насосов есть как приверженцы, утверждающие, что тепловые насосы представляют альтернативу углеводородным видам топлива и дают явный экономический эффект, так и противники, рьяно доказывающие обратное. Научные теории и гипотезы, ставившие под сомнение широкое применение тепловых насосов, были опровергнуты нашими объектами. На приведённых в этой статье практических примерах мы убедились в целесообразности их внедрения, и готовы поделиться информацией.
Все геотермальные тепловые насосы работают по принципу преобразования низкопотенциальной энергии подземных источников в тепловую энергию, используемую в дальнейшем для отопления зданий и сооружений, а также приготовления горячей воды. Однако ключевым отличием между разными тепловыми насосами являются способы отбора низкопотенциальной энергии, источниками которой могут быть не только верхние слои почвы, прогретые солнцем, вертикальные скважины, имеющие постоянную положительную температуру ниже глубины промерзания, а также подземные грунтовые воды и даже водоёмы.
Есть и другие источники. Предлагаем рассмотреть наш специфический опыт применения геотермальных тепловых насосов, принцип отбора тепла которыми схож с принципами работы ТН, в состав которых входят озёрные (речные) коллекторы. В классическом исполнении здание или сооружение, в котором применяется данная технология, должно находиться на берегу какого-либо водоёма.
Проект, реализованный специалистами дилерского центра NIBE на канализационных насосных станциях (КНС) ЗАО «Челныводоканал» в городе Набережные Челны, стал нестандартным, но в то же время предсказуемым и самым энергоэффективным из работающих по вышеперечисленным схемам. Источником низкопотенциального тепла здесь выступали городские неочищенные сточные воды, проходящие через КНС.
Канализационная насосная станция №3 (КНС-3) принимает водопроводноканализационные стоки северо-восточного района Нового города. Суммарная площадь всех строений под системы отопления составляет 812 м². Главным условием при реализации проекта было внедрение тепловых насосов как экономически выгодного инновационного решения, без нарушения работы КНС в целом, и использование уже установленной системы отопления с частичной заменой изношенных коммуникаций.
Время, затраченное на реализацию проекта, составило около двух месяцев, из которых работы по монтажу и пусконаладке были выполнены за десять дней, а остальное время было затрачено на снабжение объекта материалами, подготовку проектной документации и поиска наиболее эффективных инженерных решений. В качестве теплообменников были выбраны трубы из полиэтилена низкого давления диаметром 40 мм общей длиной 500 м.
Уникальность проекта состояла в том, что на таком крупном и стратегически важном объекте Республики Татарстан геотермальный тепловой насос был установлен впервые. На сегодняшний день в ЗАО «Челныводоканал» уже на четырёх КНС смонтированы и успешно функционируют системы обеспечения горячим водоснабжением и отоплением на базе тепловых насосов.
Установленное оборудование (фото 1 и 2) — это не единичные энергоэффективные установки, а комплекс установок, работающих в тандеме:
На выходе мы получили экономию электрической энергии до четырёх раз, затраты на системы отопления и горячего водоснабжения были снижены на 188 тыс. кВт·ч. Ранее затраты составляли 244 тыс. кВт·ч. По нашим предварительным расчётам срок окупаемости данного объекта составлял порядка трёх отопительных сезонов, но на практике тепловой насос окупился за два года.
Стоимость инновационного проекта с использованием теплового насоса составила менее 1,5 млн руб.
При наличии возможности замены всей системы отопления показатели рентабельности проекта могли значительно увеличиться ввиду минимизации потерь и хорошего теплосъёма. Это становилось возможным благодаря максимальному использованию всех возможностей теплонасосных установок при работе с новыми системами отопления — тёплыми полами или воздушными фанкойлами.
Благодаря успешной реализации и отсутствию необходимости ежегодного специализированного обслуживания геотермальных тепловых насосов, в 2012 году ЗАО «Челныводоканал» установил аналогичное оборудование ещё на двух КНС для осуществления собственных нужд по отоплению. В 2017 году, опираясь на успешный опыт ранее реализованных инженерных решений, несмотря на сокращение бюджета ввиду затяжного кризиса, было принято решение о внедрении очередного геотермального теплового насоса.
Библиографическое описание
Охотников, И. В. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности как приоритет и фактор экономического роста и развития России / И. В. Охотников, А. Р. Шарифуллин. — Текст : непосредственный // Экономическая наука и практика : материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2018 г.). — Чита : Издательство Молодой ученый, 2018. — С. 10-13. — URL: https://moluch.ru/conf/econ/archive/265/14088/ (дата обращения: 30.05.2023).
В статье рассмотрены системообразующие факторы и условия повышения энергетической эффективности. Сделан вывод о необходимости применения программно-целевых инструментов государственного регулирования, позволяющих проводить политику стимулирования ресурсосбережения для достижения целей энергетической эффективности.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, энергосбережение, экоэффективность, устойчивое развитие, государственное стимулирование ресурсосбережения
Важнейшей национальной стратегией во всех промышленно развитых странах сегодня становиться политика энергоэффективного развития. Преимуществом «зеленой экономики» является ориентация на современные ресурсоэффективные технологии с низким уровнем выбросов углерода, уменьшение нагрузки на природу и создание дополнительных рабочих мест — факторы которые позволят обеспечивать устойчивое развитие. При этом темпы роста экономики в долгосрочной перспективе могут быть не ниже, чем при современном развитии. К примеру, при сценарии «зеленого инвестирования» уже с 2020 года темпы роста экономического развития в среднем по миру будут обгонять прогнозируемые темпы современной экономики (рис 1).
Энергетические проблемы в настоящее время особенно остро стоят во многих регионах Российской Федерации. Энергосберегающие и экологически чистые технологии с трудом находят применение. Охватывая всю совокупность процессов производства, преобразования, транспорта и распределения энергетических ресурсов, топливно-энергетический комплекс, по существу, представляет собой единую систему энергоснабжения, имеющую своей главной целью эффективное и надежное обеспечение энергией требуемого качества всех потенциальных потребителей. Тесная взаимосвязь энергетики с другими отраслями национальной экономики обуславливает огромное влияние повышения энергоэффективности на экологическую безопасность России.
В последние десятилетия в России формируется рыночный механизм использования природных ресурсов, включающий регулирование процессов спроса, предложения и ценообразования. Однако, как показывает практика, рынок по объективным причинам не может эффективно управлять всей эколого-экономической сферой. В этой связи необходимо государственное регулирование в сочетании с инструментами, позволяющими проводить политику стимулирования ресурсосбережения для достижения целей экономического развития.
Существуют три основных направления энергосбережения. Первое — малозатратные мероприятия по рационализации использования топлива и энергии, позволяющие сократить их потребность на 10–12 %.
Второе — внедрение капиталоемких мероприятий: энергосберегающих технологий, процессов, аппаратов, оборудования, счетчиков. Это способствует снижению потребностей в энергоресурсах на 25–30 %. Для реализации таких возможностей необходимы инвестиции, но они в 2 раза ниже объема капиталовложений для наращивания добычи и производства топлива и энергии. Кроме того, энергосберегающие технологии являются экологически чистыми и дают значительную экономию эксплуатационных затрат. Однако в последние годы инвестирование уменьшилось почти в 4 раза, что создает угрозу энергетической безопасности страны из-за неудовлетворительного состояния основных фондов отрасли.
Третье направление — структурная перестройка экономики, связанная с увеличением доли неэнергоемких отраслей в производстве ВВП. Например, энергоемкость продукции в промышленности, сфере услуг, строительстве в 8–10 раз ниже, чем в ТЭК, и в 12–15 раз ниже, чем в металлургии. Энергоемкость продукции машиностроения по сравнению с топливной промышленностью меньше в 3 раза, а с металлургией — в 8–10 раз. По экспертным оценкам, резерв снижения потребности в топливно-энергетических ресурсах за счет ускоренных структурных изменений в экономике составляет 10–12 % от существующего потребления.
Федеральный закон «Об энергосбережении» трактует энергосбережение как реализацию правовых, организационных, научных, производственных, технических, и экономических мер, направленных на эффективное использование топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Под эффективным использованием энергетических ресурсов понимается достижение экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении требований к охране окружающей природной среды.
Энергетическая эффективность — это комплекс мер по удовлетворению потребностей в услугах и товарах при наименьших экономических и социальных затратах на необходимую энергию и при минимальных расходах, необходимых для сохранения природной среды в гармонии с устойчивым развитием на местном, национальном, региональном и мировом уровнях. Это означает, что повышение энергетической эффективности и осуществление энергосбережения позволит: направить дополнительные финансовые ресурсы на повышение уровня жизни населения, комфорта, на развитие транспорта, а не на расширение производства энергии (например, строительства новой электростанции) или увеличение импорта энергии (что требует значительных валютных средств); увеличить эффективность использования энергии в производстве в плане повышения продуктивности и конкурентоспособности промышленности; развить новые виды деятельности, в т. ч. производство передового энергетически эффективного оборудования с дальнейшим выходом России на зарубежные рынки; создать новые дополнительные рабочие места и частично решить проблему безработицы; уменьшить выбросы загрязняющих веществ и решить проблему защиты окружающей среды.
Повышение эффективности использования топлива и энергии является самым дешевым путем защиты окружающей среды. Энергия, которая приносит наименьший вред окружающей среде, — это та энергия, которую не только не надо потреблять, но и не надо производить. В каждом случае, когда ее потребление для определенных целей будет уменьшаться (за счет улучшения теплоизоляции жилищ, повышения КПД двигателей и т. д.), выбросы загрязняющих веществ будут автоматически сокращаться в соответствующей пропорции.
Однако термин «энергосбережение» не самый подходящий для российских условий, т. к. предполагает снижение потребления энергии любыми методами и с любыми затратами. Гораздо более правильно применять термин «энергоэффективность» — максимальный эффект от использования единицы энергии или максимально эффективное потребление единицы энергии, например, путем лучшей теплоизоляции помещений или путем расширения использования естественного света для освещения производственных помещений и т. д.
Энергосбережение измеряется в абсолютных единицах (например, Гкал, τ у.т и/или кВч). Энергоэффективность же измеряется в относительных единицах (Гкал/куб.м, кг у. т./Гкал, Гкал/кв.м и т. д.) и имеет идеальным результатом, например, для теплоснабжения полное, без потерь, использование первичной энергии на нагрев воздуха в зонах деятельности человека. Массовые отключения в подаче тепла, отключения систем приточной вентиляции очень легко выдавать за энергосбережение, хотя показатели энергоэффективности при этом ухудшаются.
Таким образом, энергосбережение и повышение энергетической эффективности следует рассматривать как один из основных источников будущего экономического роста. Однако до настоящего времени этот источник был задействован лишь в малой степени. Существенное повышение уровня энергетической эффективности может быть обеспечено только за счет использования программно-целевых инструментов, поскольку: затрагивает все отрасли экономики и социальную сферу, всех производителей и потребителей энергетических ресурсов; требует государственного регулирования и высокой степени координации действий не только федеральных органов исполнительной власти, но и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления, организаций и граждан; требует запуска механизмов обеспечения заинтересованности всех участников мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в реализации целей и задач Программы; требует мобилизации ресурсов и оптимизации их использования.
Основные термины (генерируются автоматически): энергетическая эффективность, устойчивое развитие, раз, ресурс, Российская Федерация, валовый внутренний продукт, государственное регулирование, российская экономика, экономическое развитие, эффективное использование.
«ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ» — ЭФФЕКТИВНЫЙ ПУТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.
В настоящее время перед Россией, как и перед всем миром, остро стоят две взаимосвязанные проблемы: экономия топливно-энергетических ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды. В условиях истощения запасов органического топлива и резкого повышения затрат на освоение новых месторождений становится все более нерациональным сжигание угля, газа и нефтепродуктов в миллионах маломощных котельных и индивидуальных топочных агрегатах, вызывающее большое количество вредных выбросов в атмосферу и существенное ухудшение экологической обстановки в городах и мире.
Одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулированной в грунте, водоемах, воздухе. Однако периодичность действия и низкий температурный потенциал этих источников не позволяют использовать их энергию для отопления зданий непосредственно, без преобразования. В качестве преобразователей тепловой энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой используются тепловые насосы. Тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и позволяет вырабатывать тепловую энергию, используя низкопотенциальное тепло вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Применение тепловых насосов позволяет экономить до 70% традиционных энергетических ресурсов.
В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения широко признаны. С термодинамической точки зрения комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ является гораздо более эффективным, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными. Россия является признанным лидером по масштабам использования централизованных систем электро и теплоснабжения. Во многих странах строительство ТЭЦ по примеру России рассматривается как эффективное средство энергосбережения и уменьшения отрицательного воздействия энергетических объектов на окружающую среду.
Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с малой плотностью застройки, сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе. Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат. Серьезные проблемы возникают и при реконструкции существующих объектов и строительстве новых в обжитых городских районах с плотной застройкой. В этих случаях увеличение тепловых нагрузок создает для застройщика часто непреодолимые трудности, в том числе финансовые, при получении и реализации технических условий на подключение к районной тепловой сети.
Действующие в настоящее время тарифы на тепловую энергию, в сочетании с затратами на подключение к городским тепловым сетям, заставляют все чаще задумываться над альтернативными способами теплоснабжения. Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. С термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более эффективными, чем от ТЭЦ и индивидуальных котельных. Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в США, Швеции, Канаде и других странах со сходными с Россией климатическими условиями. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в России. Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологически чистых технологий. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями, относится к технологиям 21-го века.
Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рис. 1. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса (фреону). Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается, и тепло на нужном температурном уровне в передается в систему отопления и горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий уровень, 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 теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более. Типичные зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры конденсатора и испарителя приведены на рис. 2. Видно, что, например, при температуре испарителя на уровне 0°С и температуре конденсатора на уровне 60°С коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.
Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления, для которых температура теплоносителя не превышает 35-40°С. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников с высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами.
Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла. В качестве низкопотенциальных источников теплоты могут использоваться:
а) вторичные энергетические ресурсы
— теплота вентиляционных выбросов;
— теплота серых канализационных стоков;
— сбросная теплота технологических процессов.
б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:
— теплота окружающего воздуха;
— теплота грунтовых вод;
— теплота водоемов и природных водных потоков;
— теплота солнечной энергии;
— теплота поверхностных слоев грунта.
Идеальный вариант для тепловых насосов — наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи нередки. Тем не менее, эти случаи следует рассматривать как частные.
В качестве довольного универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет + 5–8°С., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах. Поверхностные слои грунта (до 50 — 60 м), являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли.
Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, утилизируемого тепла вентиляционных выбросов, тепла жидких стоков, а в ряде случаев и солнечной энергии.
В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к тому, что основным источником тепловых потерь оказываются вентиляционные выбросы, причем повышение герметичности зданий в связи с применением стеклопакетов, требует внедрения новых технических решений по организации контролируемого воздухообмена в помещениях и проведение энергоаудита. А это значит, что все более широкое применение находят системы приточно-вытяжной вентиляции. Следовательно, создаются технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов и возврату тепла в здание. По сравнению с широко известными воздушными теплообменникам и утилизаторами теплонасосные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, так как утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой.
Утилизируемое тепло вентиляционных выбросов, жидких стоков и тепло, получаемое в простейших солнечных коллекторах, целесообразно направлять в грунт для восполнения теплоты, интенсивно “выкачиваемой” из грунта в зимнее время, тем самым, восстанавливая или даже повышая его температурный потенциал.
Накопленный многолетний опыт проектирования, создания и практической эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения, технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства, расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях эффективного применения теплонасосных систем и обеспечения с их помощью заметного экономического, энергосберегающего и экологического эффектов. Дополнительный потенциал повышения эффективности использования тепловых насосов кроется также в возможности их внедрения не только для целей отопления и горячего водоснабжения, но и для кондиционирования воздуха, включая контроль и управление влажностью воздуха в помещениях и в ряде технологических процессов. Это осуществляется с помощью реверсивных тепловых насосов, в которых можно менять направление теплового потока.
Проект с горизонтальным коллектором
Использование горизонтального грунтового коллектора — достаточно распространённый метод отбора тепловой энергии вследствие простоты реализации и возможности использования открытых участков грунта для накопления солнечной тепловой энергии в верхних слоях почвы при глубине укладки не более 1,5 м, а также возможности сбора и организации системы орошения дождевыми водами и распространения по геотермальному полю организованного сбора со всей площади кровли.
Требованием заказчика было обеспечить отопление производственной базы площадью более 1150 м² и одновременно снизить затраты на себестоимость производимой продукции. Единственным целесообразным решением в данном случае было применение геотермального теплового насоса для отопления тёплыми полами с использованием горизонтального грунтового коллектора (фото 4). Проектное решение, связанное с подведением газовой магистрали и его подключением к потребителю, а также дальнейшее сопровождение данного объекта надзорными органами (Ростехнадзором и газовыми службами) стали ключевыми моментами, которых хотел избежать наш заказчик. Таким образом, его предпочтение было отдано геотермальному тепловому насосу.
На сегодняшний день проект находится в стадии пусконаладочных работ, срок реализации проекта составит порядка 13 месяцев с учётом затраченного времени на строительство самой производственной базы.
Проект ТН-системы с вертикальным коллектором
В нашем случае установка геотермального теплового насоса в условиях небольшой площади частного дома была возможна только с применением вертикальных зондов, помещённых в две геоскважины (45 м), и инверторного ТН со встроенным баком ГВС. Благодаря подобному типу установки появлялась возможность использовать весь потенциал ТН, при этом не занимая дополнительных площадей под буферные баки и баки ГВС (фото 3).
Такой тип ТН пользуется спросом в частных домах с ограниченными возможностями по площадям открытых земельных участков. Наш случай — частный дом (70 м²), в котором реализована система отопления тёплыми полами и пассивное охлаждение фанкойлом от рассольного вертикального контура, расположенного на земельном участке общей площадью пять соток со всеми зданиями, сооружениями и садовыми насаждениями.
На территории коттеджного посёлка, где был расположен наш объект, каждый год происходило падение напряжения в электрической сети и падение давления в общей магистрали газопровода в самые морозные дни. При выборе основного источника тепла главным желанием хозяев дома было снизить риски, связанные с нестабильным энергоносителем, и тем самым обезопаситься от заморозки инженерных систем дома.
Другими требованиями стали экологичность и безопасность системы. И, конечно же, имелось немаловажное желание идти в ногу со временем, где очевидный выбор — тепловой насос.
Время, затраченное на реализацию проекта, составило более полугода ввиду проведения ремонтно-строительных работ с применением эффективных методов бесшовной теплоизоляции зданий (для снижения теплопотерь) и параллельного монтажа геотермальных зондов с прокладкой под домом, что и являлось уникальностью данного проекта.
Общая стоимость проекта с учётом всех строительно-задувных работ не превысила 1,5 млн руб.
Условия эффективного использования и примеры работы тепловых насосов
Сегодня во многих регионах страны теплоснабжение находится в кризисном состоянии, что связано, прежде всего, с физическим и моральным износом существующих систем теплоснабжения и действующего оборудования. В этой ситуации целесообразно проведение объективного анализа возможности использования альтернативных способов теплоснабжения, среди которых наиболее привлекательным является применение тепловых насосов.
Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в США, Швеции, Финляндии, Канаде и других странах с климатическими условиями, похожими на российские. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в нашей стране. Работа теплового насоса (ТН) компрессионного типа, наиболее широко использующегося на практике, состоит в следующем. В испарителе ТН тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу ТН. Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и/или горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, ТН осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии подходящего источника низкопотенциального тепла количество тепла, поставляемого потребителю, может в несколько раз превышать затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования ТН. При температуре испарителя на уровне +5°С и температуре конденсатора на уровне 60°С коэффициент преобразования «идеального» ТН, работающего по циклу, близкому к циклу Карно, превышает 5. Для реальной установки, с учетом существующих потерь, он достигает 3. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования реальной установки возрастает и может достигать больших значений. Условия эффективной работы тепловых насосов Из выше изложенного следует несколько принципиальных положений, касающихся особенностей практического применения ТН в системах теплоснабжения. 1. Для обеспечения работы ТН необходимо, чтобы к потребителю была подведена достаточная для привода компрессора электрическая мощность. Необходимая дополнительная электрическая мощность зависит от тепловой нагрузки объекта. Например, для теплонасосного теплоснабжения современного индивидуального дома площадью около 200 м2, как правило, достаточна электрическая мощность 5–7 кВт. Потребность в дополнительной присоединенной мощности может быть сокращена, если работа ТН осуществляется в часы минимального использования электроэнергии другими внутренними потребителями, например в ночное время. В этом случае можно использовать более выгодные «ночные» тарифы на электроэнергию и применить аккумуляторы тепла, обеспечивающие выравнивание графика теплоснабжения в течение суток с учетом тепловой инерционности здания. 2. Обязательным условием эффективного использования ТН является наличие подходящего источника низкопотенциального тепла. Отсутствие вблизи потребителя такого источника может исключить возможность применения ТН. В странах с мягким климатом в качестве источника низкопотенциального тепла часто используют атмосферный воздух. Однако для большей территории России этот источник, как правило, неприемлем в связи с чрезвычайно низкими температурами в зимнее время. Идеальный вариант для тепловых насосов — наличие вблизи потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи нередки. Однако эти случаи следует рассматривать как частные. Хорошим источником тепла является незамерзающий водоем, речка. В ряде регионов имеются неглубоко залегающие подземные термальные воды (на Камчатке, Северном Кавказе, в Калининградской обл., некоторых районах Сибири). Наличие вблизи потребителя соответствующей скважины с температурой воды на уровне 15–20°С является исключительно благоприятным для рассмотрения варианта использования ТН. Имеется значительный зарубежный (США, Канада, Швейцария и др.) и некоторый отечественный опыт по применению грунтовых теплообменников, позволяющих отбирать тепло из грунта, температура которого на глубине более 4–5 м равна среднегодовой температуре атмосферного воздуха (в средней полосе России — 5–8°С). Поверхностные слои грунта (до 100 м) являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли. Однако выбор типа, схемы расположения и размеров грунтовых теплообменников требует специального обоснования с учетом возможного переохлаждения грунта в зоне теплообменника при длительной эксплуатации с возможным снижением эффективности работы ТН. Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, других источников низкопотенциального тепла, например, солнечной энергии, которая может направляться на ускоренное восстановление температурного режима грунта в теплый период года. В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к тому, что основным источником тепловых потерь, как правило, оказываются вентиляционные выбросы, причем повышение герметичности зданий в связи с применением герметичных стеклопакетов требует внедрения новых технических решений по организации контролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что все более широкое применение находят системы приточно-вытяжной вентиляции, и, следовательно, создаются технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов здания. По сравнению с широко известными воздушными теплообменниками-утилизаторами теплонасосные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла, выходящего из здания воздуха, т.к. утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой. Итак, выбор источника низкопотенциального тепла является исключительно важной и принципиальной проблемой, успешное решение которой во многом зависит от квалификации и опыта разработчиков теплонасосной системы теплоснабжения, и этой проблеме необходимо уделять самое пристальное внимание. 3. Энергетическая эффективность (коэффициент преобразования энергии) и соответственно экономическая эффективность применяемой системы теплонасосного теплоснабжения сильно зависит от характеристик потребителя тепла, в первую очередь от температурного уровня нагреваемого теплоносителя. Очевидно, что применение ТН особенно эффективно в случае использования воздушных и/или напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35–40°С. Для таких систем коэффициент преобразования ТН может быть высоким. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников типа фанкойлов, характеризующихся высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами. В случае использования традиционных отопительных радиаторов/конвекторов следует идти на разумное увеличение их теплопередающей поверхности, обеспечивая оптимальное снижение параметров теплоносителя. При использовании ТН в системах горячего водоснабжения необходимо избегать необоснованного перегрева воды выше реально необходимого потребителю температурного уровня. Как правило, для удовлетворения большинства бытовых потребностей нагревать воду выше 40–45°С нет необходимости. То есть, если водяной бойлер снабжен резервным электронагревателем, то соответствующая его автоматика должна быть настроена с учетом этого требования. При этом объем бака-аккумулятора горячей воды должен оптимизироваться с учетом реального графика водопотребления. 4. Проектирование и создание теплонасосных систем теплоснабжения требует системного и творческого подхода. В отличие от традиционных систем теплоснабжения, теплонасосная система может работать в переменных (нестационарных) режимах, существенно отклоняющихся от расчетных, что связано как с возможным изменением температуры низкопотенциального источника, так и с переменным характером тепловых нагрузок. При этом важным предметом оптимизации является расчетная (максимальная) мощность ТН. Очевидно, что использовать тепловой насос, рассчитанный на покрытие максимальной тепловой нагрузки, с экономической точки зрения нецелесообразно. Обычно мощность ТН выбирается на уровне 60–70% от максимума нагрузки. В этом случае ТН должен работать в тандеме с резервным источником тепла и/или оснащаться соответствующими тепловыми аккумуляторами. Примеры практического применения тепловых насосов С участием специалистов Института высоких температур РАН (ИВТ РАН) разработан и создан ряд опытно-демонстрационных установок и систем, использующих тепловые насосы для теплоснабжения различных объектов. С 1981 г. на полигоне ИВТ РАН «Солнце» в Дагестане успешно работает система теплоснабжения индивидуального дома с комбинированным применением теплового насоса и солнечных коллекторов. В качестве источника низкопотенциального тепла используется термальная вода, поступающая из геотермальной скважины глубиной около 60 м с температурой примерно 20°С. В доме применена низкотемпературная напольная система отопления с покомнатным автоматическим регулированием температуры. Солнечная установка с плоскими солнечными коллекторами работает для горячего водоснабжения дома. В Подмосковье (дер. Грибаново) на территории полигона НПО «Астрофизика» в 2001 г. введена в опытную эксплуатацию солнечно-теплонасосная система теплоснабжения лабораторного здания. В качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса использован вертикальный грунтовый теплообменник общей длиной около 30 м (технология ОАО «Инсолар-Инвест»). Отопительные приборы — фанкойлы и напольный нагреватель. Солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение, избытки солнечного тепла в летнее время закачиваются в грунт для ускоренного восстановления его температурного режима. Рассмотрим более подробно введенную в 2003 г. в опытную эксплуатацию теплонасосную систему теплоснабжения здания Большого оптического телескопа (БТА) Специальной астрофизической обсерватории РАН, расположенной в горах Западного Кавказа (пос. Н. Архыз, Карачаево-Черкессия). Эта разработка является интересным примером эффективного комплексного решения ряда проблем, связанных с энергосбережением и эксплуатацией сложного телескопного оборудования. Большой оптический телескоп САО РАН расположен в горах на высоте 2100 м и является уникальным научным комплексом, используемым для астрофизических исследований. Энергетическое обследование комплекса показало, что созданные более 20 лет назад системы теплохладоснабжения здания могут быть существенно модернизированы, причем основой модернизации может стать тепловой насос, с помощью которого может быть решена проблема регулирования (охлаждения) температуры масла в системе подвески многотонной конструкции телескопа на гидростатических опорах и одновременно обеспечено горячее водоснабжение и отопление ряда помещений. Масляная система подвески телескопа оснащена мощными масляными насосами, работа которых приводит к нагреву масла. Тепло передается к конструкциям телескопа и приводит к нагреву воздуха в подкупольном пространстве, что в свою очередь ведет к возникновению недопустимых конвективных воздушных потоков. Для охлаждения масла на телескопе создана специальная система воздушного охлаждения, включающая дополнительные циркуляционные насосы, масловоздушный теплообменник и электровентилятор. В то же время для отопления механических мастерских и ряда камеральных помещений используются местные электронагреватели, потребляющие дополнительную электрическую энергию, причем отопительный сезон в условиях высокогорья длится около 10 месяцев в году. Очевидно, что существовавшая до реконструкции система была весьма энергорасточительной. В условиях резкого роста тарифов на электроэнергию энергетическая составляющая эксплуатационных затрат стала чрезмерно высокой. Предложенное техническое решение предусматривало использование нагретого масла в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса, с помощью которого обеспечивается как нагрев воды, так и отопление ряда помещений здания. При этом эффективно решается проблема охлаждения масла, практически исключается необходимость использования циркуляционных насосов и электровентилятора существовавшей системы охлаждения, а также местных электрических отопительных приборов. Основная проблема, стоявшая на пути практической реализации предложения, состояла в выборе оптимального теплового насоса и согласовании режимов работы оборудования. Сложность проблемы была в том, что масляная система подвески телескопа в зависимости от погодных условий, допускающих проведение астрономических наблюдений, работает лишь ограниченное число часов в сутки (продолжительностью от 4 (ожидание ясного ночного неба) до 12 часов при наступлении ясного неба и проведении наблюдений). Причем тепловыделение имеет место в ночное время, а основная тепловая нагрузка приходится на рабочий день, т.е. для данного объекта характерно существенное несовпадение графика выделения низкопотенциального тепла и графика потребления тепла. Решение этой проблемы оказалось возможным на основе детального математического динамического моделирования работы создаваемой системы с использованием соответствующих программ, разработанных специалистами ИВТ РАН. Одним из ключевых элементов предложенной схемы стал аккумулятор низкопотенциального тепла, объем которого должен был обеспечить максимально полный сбор тепла в ночное время с одновременным недопущением перегрева масла. ТН отбирает тепло из бака-аккумулятора, трансформирует его на температурный уровень 50–55°С и направляет на отопление помещений с помощью фанкойлов и нагрев воды в баке-аккумуляторе. В созданной системе был использован тепловой насос фирмы Climaveneta (Италия) тепловой мощностью около 10 кВт. Затраты на модернизацию системы составили примерно 250 тыс. руб. Экономия электроэнергии с учетом сокращения затрат энергии на привод циркуляционных насосов и электровентилятора системы охлаждения масла, а также сокращения числа часов использования местных электрических отопительных приборов превышает 50 тыс. кВтч/год. Срок окупаемости установки — не более 2,5 лет. Рисунок: ~2~
Речной коллектор
Другим достаточно интересным в плане его осуществления проектом стал объект площадью 100 м² на речном берегу.
В данном случае был применён принцип подводного коллектора с укладкой полиэтиленовых труб, закреплённых на дне реки. Организация отопления и кондиционирования в доме выполнена с помощью воздушных напольных фанкойлов. Для безопасности окружающей среды и водных биоресурсов применялся сертифицированный теплоноситель, в основе которого пищевой пропиленгликоль. Тем самым системы отопления и кондиционирования дома стали не только выгодны экономически, но и экологически безопасны.
Точная стоимость данного проекта не поддаётся расчётам ввиду затяжного ввода в эксплуатацию — более трёх лет.
Таким образом, наш опыт применения тепловых насосов показал не только рентабельность и безопасность, но и возможность обеспечения объекта теплом в условиях, когда на первый взгляд это кажется практически невозможным.