Тепловые насосы — альтернатива центральному отоплению

ЗАО «Компания Севзапмонтажавтоматика» (СЗМА)  работает по принципиально новым для России направлениям. В частности, она одной из первых на Северо-Западе стала предлагать использовать тепловые насосы для нагрева и охлаждения воздуха. В объединении «Радуга», например, СЗМА принимает участие в проектировании системы воздухообмена, построенной на использовании таких насосов, что для Северо-Западного региона уникальное событие. Технология чрезвычайно интересная, позволяющая значительно экономить ресурсы заказчика при дальнейшей эксплуатации, а по стоимости при покупке и монтаже оборудования она сопоставима с традиционными схемами теплообмена. Наш корреспондент подготовил статью по проблеме отставания России в этом важнейшем направлении теплоэнергетики.

Центральное отопление… Сколько проблем оно приносит населению. Сколько потерь тепла происходит по дороге к домам и в самих домах. Кто бы посчитал…

Помню, еще до 1991 г. председатель Исполкома Петроградского Совета народных депутатов Санкт-Петербурга Щекин, озабоченный массовыми замерзаниями и прорывами труб водяного обогрева в жилых домах, мечтал: «Надо переводить дома на самообогрев, ставить малые котельные, как в Скандинавских странах, и отказываться от центрального отопления». Прошло 14 лет. Новые власти стали больше смотреть за порядком при эксплуатации магистралей теплоснабжения. Но проблема по большому счету не снята. Монополизм центрального отопления продолжает свою «вредительскую» деятельность: в особо морозные дни без тепла остаются целые кварталы Санкт-Петербурга, районные города и поселки Ленинградской обл., других регионов России.

Как решается эта проблема, что нового наблюдается в теплоэнергетике?

Центральное отопление сегодня

Специалисты по системам централизованного отопления (ЦО) отмечают, что эти системы имеют ограниченную термодинамическую эффективность ниже 100 %.Это явление носит название «барьерединицы». Как правило, эффективность эта намного ниже 1.0.

Понятно, что в условиях XXI в. реликты 50–70-летней давности, работающие в российских котельных города и области, требуют капитальной замены. И не только на новые, но такие же котловые системы, а на принципиально отлич-ные по идеологии технические системы.

В 1995 г. исследовалась часть системы ЦО крупного города в СНГ.  Были оглашены результаты исследований. Оказалось, что система работает с эффективностью, равной 23 %. Кстати, цифры, как по США, так и по СНГ, показывают, что наибольшие потери тепла происходят в сетях теплоснабжения и в стенах зданий. Исследования системы ЦО, принадлежащей федеральному правительству США на побережье Тихого океана, показали ее эффективность не выше 34 %. При таких показателях электрическое отопление дает большую эффективность. При существующей бесхозяйственности в России цифры эти по отдельным регионам гораздо хуже.

Для замены устаревшей инфраструктуры ЦО в больших (да и малых) городах требуются большие усилия и огромные затраты. Естественно, наиболее понятен  традиционный способ модернизации: постепенный, обеспечивающий соответствие действующим стандартам. В этом случае, как правило, предполагается: 1. устранить утечки и изолировать трубы; 2. установить термостаты в зданиях, там, где их нет; 3. заменить старые бойлеры итеплообменники; 4. улучшить управление.

Такой подход легко понятен. Конечно, термостаты абсолютно необходимы. Они позволят квартиросъемщикам закрывать окна и двери и чувствовать себя комфортабельно. Они наполовину снизят потери в зданиях. Потери на передачу могут быть снижены уплотнением соединений и улучшением изоляции. Но эффективность только удваивается! При идеальных условиях монтажа максимальным пределом эффективности будет 100 %. И не больше. Однако эффективность наилучших котельных много ниже этой цифры…

Парадоксально, но факт: такая схема пока преобладает в качестве оптимального стандарта. А в России, похоже, другие и не рассматриваются…

 АЛЬТЕРНАТИВА ЦЕНТРАЛЬНОМУ ОТОПЛЕНИЮ

В некоторых странах мира системы ЦО преодолевают этот барьер благодаря применению тепловых насосов (ТН). Они позволяют уменьшить тепловые потери, не добавляя изоляции, и удваивают эффективность системы посредством ТН большой мощности.

ТН имеют КПД больше единицы, что подразумевает, что они передают энергии больше, чем потребляют. Они примерно как грузовики, которые могут перевозить груз больше, чем весят сами. Источниками тепловой энергии могут быть потери тепла электростанций и промышленности или геотермальное тепло артезианских вод, озер и рек. Для того чтобы преодолеть барьер 100 % эффективности, тепловая система должна отказаться от исключительной роли бойлеров в качестве производителей тепла и принять за основу ТН.

Небольшие ТН существуют в каждой стране. Ими могут быть просто холодильные установки с реверсивным режимом работы. Тепло явится желаемым выходом, а охлаждение не будет нужно. Большие ТН более редки. Они существуют лишь в некоторых странах, но являются дорогой в будущее, «передовым краем» технологии производства тепла.

Рассмотрим несколько примеров. Они взяты со всего мира и показывают разнообразие применений. Анализ учитывает полные энергетические циклы, начиная с топлива. Включаются и потери на электростанциях. Это единственно верный способ сравнить процесс сгорания в котлах с процессом охлаждения электрическими ТН.

Японская модель

Система в Макухари рассматривает тепло сточных вод как значимый ресурс. Правительство модернизировало город и создало новый городской центр с учреждениями бизнеса, образования, культуры, науки и администрирования. Все эти учреждения используют сточные воды как источник тепла. Сточные воды имеются всегда и их температура постоянна. Два ТН извлекают 3,5 МВт тепла из потока температурой 15 0С и передают 5 МВт тепла в сеть ЦТ. Этот процесс получил название «рециркуляция тепла». Закупается только 30 % энергии. КПД системы отопления Макухари равен 95 %.Потребляется почти вся закупаемая энергия.

Американская модель

«Галт Хауз», отель и коммерческий комплекс в Луисвилле, штат Кентукки, использует сотни ТН вместо большого центрального ТН. Эффект одинаков. Луисвилл расположен на речных отмелях. Источником свободного тепла для «Галт Хауза» является подземная река. Она подает возобновляемую энергию от земли. Подземная река не мелеет и не пересыхает. Нет никаких проблем с доступом к тепловому источнику.
В «Галт Хаузе» водяные насосы выкачивают воду из подземной реки при температуре 10 0С, прогоняют ее через ТН для извлечения тепла и выпускают  при температуре 5 0С в надземную реку. Нет потерь передачи. Потери имеют место только на теплостанции и на несовершенной изоляции стен зданий. КПД в режиме отопления, включая потери энергостанции, составляет 88 %. Эти ТН работают также в качестве кондиционеров воздуха. Работа распределенных ТН удобна для одновременного отопления и охлаждения.

Шведская модель

Чем более горяч источник тепла, тем больше эффективность ТН. Шведы используют любой тип тепла от отходов. Централизованные ТН Швеции получают тепло от отходов различных типов промышленности (25 0С). В этом случае ТН имеют КПД = 4.0 и даже выше. Общий КПД, включая все потери, может превышать единицу. Швеция является мировым лидером в области использования централизованных ТН. Одной из причин такой высокой эффективности является изоляция зданий. Скандинавские дома имеют наилучшую изоляцию в мире. Потери изоляции зданий в этой модели минимальны и являются базисом для сравнения. Хотя тепло промышленных отходов является большим источником тепла для ТН, оно имеет недостатки. Предприятия не работают при постоянной нагрузке. Многие останавливаются на выходные. Так что нужны резервные источники. Если ими являются бойлеры, они понижают КПД в течение года, поскольку эффективность их работы ниже 100 %.
Еще одним недостатком является шведская практика размещения ТН поблизости источника тепла и перекачка воды с температурой 80 0С. Система наиболее эффективна, если вода перекачивается холодной, и температура повышается в конце линии.

Немецкая модель

Одной из наилучших систем централизованных ТН является Спенге, Германия. В ней максимум преимуществ и минимум недостатков. Прежде всего, она использует тепло отходов текстильной фабрики. При этом почти нет потерь передачи при низких температурах. ТН размещены у точки потребления, а не возле источника. Размещение отдельных ТН внутри домов увеличивает гибкость и возможность использования охлаждения. Дома также хорошо изолированы, и почти нет потерь через стены.
Единственным недостатком Спенге является нужда в резервном бойлере. Текстильная фабрика не работает по выходным, так что имеется потребность в закупке 20 % энергии от бойлера. При использовании источника геотермального тепла для ТН КПД системы может быть увеличен до 1,30.

Где взять деньги?

Известно, чтобы заработать деньги, нужно сперва их потратить. Так и при установке ТН: оборудование создаст большие сбережения только после того, как будет установлено. Необходимо оплатить оборудование и его установку. Другими словами, нет инвестиций, нет сбережений. Короче: шерше ля инвестора.
Для привлечения больших инвестиций нужно снизить риск. Чем ниже риск, тем ниже процентная ставка. При создании новой инфраструктуры риск нужно уменьшать постепенно. Мировая практика предлагает следующий порядок действий:1. Составить бизнес план; 2. Гарантировать поток платежей; 3. Начать работу на временном переносном оборудовании; 4. Базовые элементы оборудования должны быть повторяемыми; 5. Изготавливать детали для соответствия местным нуждам; 6. Строить систему в несколько этапов; 7. Накапливать сбережения на каждом шагу для оплаты следующего шага.