Применение теплонасосных установок в системах теплоснабжения

Первая схема теплового насоса, названная «умножителем тепла», предложена Кельвиным в 1852 г. Патент на технологию тепловых насосов выдан в 1912 г. в Швейцарии. В 20-х годах XX в. в Англии была создана первая теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, использующая теплоту окружающего воздуха. Теплонасосная установка, установленная в 30-е годы XX в. в здании энергетической компании в штате Коннектикут (США) работает до сих пор. В Европе первая крупная теплонасосная установка построена в Цюрихе в 1938 - 1939 гг, она имела мощность 175 кВт, работала на теплоте речной воды и вырабатывала горячую воду с температурой 60 °С. Для покрытия пиковой нагрузки в системе имелся электронагреватель, а в летнее время установка работала на охлаждение. Интенсивный рост производства тепловых насосов произошел во время энергетических кризисов 1973 и 1979 г. Объем использования теплонасосных установок в настоящее время представлен в табл. 1 и 2.

Высокое значение коэффициента преобразования теплоты m позволяет обеспечивать теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии. Согласно работе [<Ind.(К-98) 1 > ], применение ТНУ в системах теплоснабжения более выгодно, чем использование ТЭЦ и индивидуальных котельных. Эксплутационные расходы на теплоснабжение с применением разных способов приведены в табл. 3.

По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения тепловыми насосами составит 75%.

 

Таблица 1

Количество эксплуатируемых тепловых насосов [<Ind.(К-98) 1 > <Ind.(Z-133) – > <Ind.(К-102) 3 > ]

 

Страна	Количество эксплуатируемых теплонасосных установок, млн	Количество производимых теплонасосных установок, млн в год
США	25 (около 60% в жилом фонде)	1 (в том числе 0,5 на экспорт)
Япония		0,5
Китай
Европа	4 в 1996 г. (около 70% в жилом фонде)	Нет данных

Таблица 2

Мировой уровень использования тепловых насосов [<Ind.(Z-192) 4 > ]

Страна	Установленная мощность оборудования, МВт	Произве­денная энергия, ТДж/год	Страна	Установленная мощность оборудования, МВт	Произве­денная энергия, ТДж/год
Австралия	24,0	57,6	Польша	26,2	108,3
Австрия	228,0	1094,0	Россия	1,2	11,5
Болгария	13,3	162,0	Сербия	6,0	40,0
Великобритания	0,6	2,7	Словакия	1,4	12,1
Венгрия	3,8	20,2	Словения	2,6	46,8
Германия	344,0	1149,0	США	4 800,0	12 000,0
Греция	0,4	3,1	Турция	0,5	4,0
Дания	3,0	20,8	Финляндия	80,5	484,0
Исландия	4,0	20,0	Франция	48,0	255,0
Италия	1,2	6,4	Чехия	8,0	38,2
Канада	360,0	891,0	Швейцария	300,0	1 962,0
Литва	21,0	598,8	Швеция	377,0	4 128,0
Нидерланды	10,8	57,4	Япония	3,9	64,0
Норвегия	6,0	31,9	Всего:	6 675,4	23 268,9

 

Таблица 3

Эксплутационные расходы на теплоснабжение*

Вид отопления	Вид и единица энергии	Стоимость единицы энергии, руб.	Расход единиц энер­гии в час	Годовые затраты, руб.	Приме­чание
Электрическое	Электричество, кВт	1,5		38 250	–
Индивидуальный газовый котел	Природный газ, м3	2,36 (1.01.09 г.) 3,00 (1.10.09 г.)	2,2	8 830 11 225	КПД котла 75%
Централизованное теплоснабжение	Теплота, Гкал	853,3	0,0129	18 700	–
Тепловой насос	Электричество, кВт	1,5	4,3	10 970	m = 3,5

* Отапливаемая площадь 180 м², отопительная мощность 15 кВт, 1700 рабочих часов в год.

 

В настоящее время Министерством энергетики РФ принята программа развития нетрадиционной энергетики, в том числе 30 крупных проектов использования теплонасосных установок ТНУ в жилищно-коммунальном секторе.

Применение тепловых насосов для индивидуального теплоснабжения имеет следующие преимущества:

– тепловые насосы являются установками индивидуального теплоснабжения с исключением протяженных тепловых сетей;

– снижение объема природного первичного топлива, расходуемого на теплоснабжение, примерно в 1,5…2 раза;

– улучшение экологической обстановки в населенных пунктах, так как сжигание топлива в городских котельных заменяется производством электроэнергии за пределами населенных пунктов, с меньшими затратами топлива для выработки электроэнергии, чем при использовании котлов (табл. 4);

– безопасность по сравнению с индивидуальными котельными на газовом топливе;

– меньшие затраты на обслуживание, так как тепловые насосы малой мощности, также как холодильники и кондиционеры, не требуют периодического обслуживания, а для тепловых насосов большой мощности требуется лишь периодический контроль.

 

Таблица 4

Вредные выбросы за отопительный сезон (5448 ч)
от различных теплоисточников тепловой мощностью 1,16 МВт [<Ind.(К-98) 1 > ]

Наименование выброса, т/г	Угольная котельная	Электрообогрев, газовая котельная	Тепловой насос (m = 3,6)
SOx	21,77	38,02	10,56
NOx	7,62	13,31	3,70
Твердые частицы	5,8	8,89	2,46
Фтористые соединения	0,182	0,313	0,087
Всего	34,65	60,53	16,81

 

У тепловых насосов в утилизации энергии сбросной низкопотенциальной теплоты промышленных предприятий большая перспектива. Например, количество теплоты, передаваемой в окружающую среду в градирнях омских ТЭЦ, достаточно, чтобы полностью покрывать потребность в теплоснабжении города при температурах наружного воздуха до –8 °С [<Ind.(П-42) 5 > ].

В применении тепловых насосов есть два недостатка. Первый связан с высокой стоимость оборудования, составляющего до $200 за 1 кВт тепловой мощности [<Ind.(В-30) 6 > ], хотя срок их окупаемости составляет 2…3 года. Второй недостаток связан с дешевизной природного топлива в России. Соотношение цены 1 кВт·ч электроэнергии к 1 м³ природного газа в России составляет 0,7…1,2, а в Европе – 0,4…0,6 [<Ind.(М-38) 7 > ]. Например, в настоящее время 1 кВт×ч электроэнергии на отопительные нужды для населения стоит около 0,70 руб., а 1 м³ природного газа с теплотой сгорания около 32 МДж стоит около 1 руб., что в пересчете на 1 кВт×ч составит 0,12 руб. Такое шестикратное превышение стоимости электроэнергии перед стоимостью газа, конечно, экономически объяснено быть не может. Поэтому в существующих экономических условиях индивидуальное теплоснабжение с применением тепловых насосов по затратам значительно экономичней электрообогрева, но сопоставимо с газовым отоплением. Но при выравнивании цен на энергоносители, что произойдет через некоторое время, применение тепловых насосов станет безусловно выгодным.

Таким образом, использование теплонасосных установок в системах централизованного и индивидуального теплоснабжения является крайне актуальным.