Энергосбережение в системах традиционного и альтернативного теплоснабжения

В. Н. Мелькумов, доктор техн. наук, профессор;

О. А. Сотникова, доктор техн. наук, профессор;

В. С. Турбин, доктор техн. наук, профессор;

Д. Н. Китаев, аспирант;

Р. В. Сорокин, аспирант, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Энергоаудит предполагает следующие этапы: сбор документальной информации, инструментальное обследование, обработка и анализ полученной информации, разработка рекомендаций по энергосбережению, составление энергетического паспорта здания, установок, технологических процессов [1].

Для инструментальных замеров при проведении энергоаудита зданий используются следующие приборы: пирометр С-9Л, ультразвуковой расходомер жидкости «Postaflow MK-IIR», толщиномер SONAG E2, тепломер, приборы для определения подвижности воздуха и относительной влажности, токоизмерительные клещи Ц 4505, тестер М890G, люксметр Ю-116.

При проведении энергоаудита предприятий выделяются объекты, которые комплексно обследуются с помощью стационарных или переносных, специализированных, прошедших госповерку и аттестованных приборов [2]. Подлежат обследованию системы генерирования пара или горячей воды, паро- и теплоснабжения, топливоснабжения и топливопотребления, водоснабжения и электропотребления, воздухоснабжения, электроснабжения, хладоснабжения.

Энергетические системы промышленных предприятий условно подразделяются на силовые, тепловые, электрохимические, электрофизические и системы освещения. К ним относят также экологические системы.

К основным приборам, перечисленным выше, для проведения аудитов промышленных объектов добавляется электронный анализатор горения типа КМ 9006 «Quintox», позволяющий определять концентрации основных газообразных загрязнителей, коэффициент избытка воздуха, КПД котла, печей, топочных устройств.

В энергетическом паспорте указываются общие сведения о предприятии, общем потреблении энергоносителей, учете расхода энергоносителей, наличии источников вторичных энергоресурсов (ВЭР) или (ТВЭР), составе оборудования и работе объекта в целом, состоянии и использовании конденсата, составе и характеристике теплопотребляющего оборудования и др. [1, 2]. В экологическом паспорте представлены сведения о состоянии окружающей среды промышленного предприятия, концентрациях жидких и газообразных загрязнителей, размерах санитарно-защитной зоны и т. п., а также о мерах по снижению вредного экологического воздействия объектов на селитебную зону.

Для эффективного решения задач снижения (а в некоторых случаях исключения) платы за потери в подводящих теплоту системах необходимо организовать постоянный учет и контроль расхода энергоносителей. Как показывают обследования, счетчики коммерческого учета тепловой энергии и воды установлены не во всех исследуемых объектах либо не на всех вводах. При значительной территории, прилегающей к объекту, больших объемах зданий рекомендуется на всех вводах в здание, объектах, сдаваемых в аренду, устанавливать счетчики технического учета.

Анализ результатов энергоаудитов, проведенных в 175 действующих отопительных котельных малой теплопроизводительности Воронежа, показал, что они нуждаются в замене, т. к. в большинстве случаев котлы и вспомогательное оборудование выработали свой ресурс.

При достаточно сильном износе существующих тепловых сетей централизованного теплоснабжения и отсутствии необходимого финансирования работ по их замене более короткие тепловые сети децентрализованного теплоснабжения перспективнее и экономичнее. Переход на децентрализованное теплоснабжение стал возможным после появления на рынке высокоэффективных котлов малой теплопроизводительности с КПД не ниже 90 %.

Рисунок 1. Принципиальная компоновка модульной котельной мощностью 2 МВт с котлами КСВа-1,0 Гн: K1 – водогрейный газовый котел КСВа-1,0 Гн; K2 – циркуляционный насос контура котла; K3 – циркуляционный насос контура системы отопления; K4 – циркуляционный насос контура котел-теплообменник; K5 – циркуляционый насос системы ГВ; K6 – подпиточный насос системы отопления; K7 – подпиточный насос контура котла; K8 – теплообменник контура котла; K9 – теплообменник ГВ; K10 – мембранный расширительный бак контура котла; K11 – подпиточный бак контура котла; K12 – подпиточный бак контура котла системы отопления; K13 – тепловой насос; K14 – циркуляционный насос

На рис. 1 приведена принципиальная компоновка оборудования в модульной котельной. Котельная — малогабаритная, размещается вблизи потребителя теплоты. Длина тепловых сетей (двухтрубных) около 50 м. Котельная может располагаться на крыше снабжаемого теплотой здания.

В котельной устанавливаются котлы, насосы и теплообменники для приготовления воды на горячее водоснабжение. Кроме того, в котельной может быть установлен тепловой насос с теплоутилизаторами для использования теплоты уходящих газов и жидких стоков котельной. С помощью теплового насоса нагревается вода для горячего водоснабжения и генерируется холод для систем кондиционирования воздуха. Использование теплового насоса в системах децентрализованного теплоснабжения позволяет повысить коэффициент использования тепловой энергии котельной с 40 до 65 %.

Принятию решения о том или другом варианте компоновки котельной предшествует технико-экономический расчет на основе данных энергоаудита существующих котельных (базовый вариант) и параметров вновь проектируемых котельных.

Основным критерием выбора системы теплоснабжения является себестоимость вырабатываемой тепловой энергии, определяемая по приведенным затратам (чистый дисконтированный доход) с позиции приемлемого срока окупаемости инвестиций.

Рисунок 2. Зависимость себестоимости тепловой энергии от годовой выработки теплоты котельной: х – существующие котельные; • – модульные котельные, предлагаемые к внедрению

На рис. 2 приведена зависимость себестоимости 1 Гкал вырабатываемой тепловой энергии от ее годовой выработки Q (для 175 обследованных котельных Воронежа).

В вариантах с установкой модульных котельных себестоимость вырабатываемой тепловой энергии снижается на 30—50 % за счет более коротких тепловых сетей, а значит, меньших теплопотерь, более совершенных котлов. Себестоимость тепловой энергии в значительной степени зависит от фактического времени работы котельной в году, т. е. от загрузки работы оборудования котельной.

Наряду с модернизацией оборудования теплогенерирующих установок, работающих на органическом топливе, в настоящее время идут интенсивные поиски технических решений по использованию альтернативных решений производства тепловой и электрической энергии. Активно исследуется, например, использование низкопотенциальной теплоты или солнечного теплоснабжения, к которым проявляется интерес в Европе, Америке, странах Азии и в Японии.

К альтернативным способам может быть отнесено использование тепловых насосов, работающих на низкопотенциальной теплоте (рис. 1), для целей теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуальных домов теплопроизводительностью около 10 кВт. Источниками низкопотенциальной теплоты являются грунт (5—15 °С) и грунтовые воды (8—15 °С). Температура нагреваемой в тепловом насосе (ТН) воды для горячего водоснабжения должна быть не менее 60 °С. Если вода используется только на отопление, температура может быть ниже. Если требуемый нагрев воды 55 °С и ниже, то в качестве рабочего вещества можно использовать R22, для более высоких температур теплоносителей использование R22 невозможно в связи с высоким давлением конденсации, на которое рассчитана большая часть компрессоров [4].

При высоких температурах нагрева широко использовался R12, применение которого запрещено в связи с его высоким потенциалом разрушения озона. Вместо него в настоящее время применяется озонобезопасное рабочее вещество R134а.

Теплонасосные установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 2—3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение теплонасосных установок — это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов, и защита окружающей среды, в т. ч. и путем сокращения выбросов парникового газа в атмосферу. Тепловые насосы создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения.

Рисунок 3. Общий вид теплоутилизатора с тепловыми трубами: 1 – испарители тепловых труб; 2 – тепловые трубы; 3 – коллектор с нагреваемой средой; 4 – стенки воздуховода

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города) [5]. Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо, в первую очередь, во вновь строящихся районах городов и населенных пунктов при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3—4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Использование теплонасосных установок в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии) позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей.

Для сопоставления эффективности тепловых насосов и традиционных генераторов теплоты, например, котельных, а также для сравнения тепловых насосов разных принципов действия, например, парокомпрессионного с приводом компрессора от электродвигателя и абсорбционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий — коэффициент использования первичной энергии К (отношение полезной теплоты теплового насоса к теплотворной способности израсходованного топлива) [5]. Сопоставление альтернативных вариантов теплоснабжения по степени использования первичной энергии показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев (К = 0,27—0,34), т. к. на тепловой электростанции при выработке энергии и ее транспортировке по сетям теряется около 70 % первичной энергии. Теплоснабжение прямым сжиганием топлива в котельной приводит к потере около 15—20 % первичной энергии (К примерно равен 0,85). При рациональном применении тепловых насосов обеспечивается экономия первичной энергии (К ≥ 1). Для ТН с электроприводом коэффициент использования первичной энергии К равен произведению коэффициента преобразования и коэффициента использования первичной энергии при выработке электроэнергии, т. е. в данном случае тепловой насос уравнивается по эффективности с котельной. Парокомпрессионные тепловые насосы с приводом от теплового двигателя, например, от газовой турбины или дизельного двигателя, оказываются более экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе в составе теплового насоса может быть утилизирована дополнительно большая часть потерь теплоты со смазкой, охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза. При этом экономичность теплового насоса обеспечивается уже при коэффициенте преобразования, равном 2 [5].

Рисунок 4. Вихревая труба Ранке: 1 – труба; 2 – диафрагма; 3 – сопло; 4 – вентиль

Перспективной является схема теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником. Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах с использованием тепловых насосов за последние 10—15 лет нашли широкое применение в качестве низкотемпературного источника теплоты для систем отопления и горячего водоснабжения. Этот экологически чистый источник теплоты достаточно часто используется в США, Швейцарии, Канаде, Дании, Нидерландах, Германии, Японии и других странах.

Вертикальный грунтовой теплообменник размещается в скважине глубиной не более 100 м. Вертикальные трубки занимают меньше места и позволяют в некотором смысле использовать теплоту, аккумулированную в летние месяцы, что дает им дополнительные экономические преимущества. Выполнение трубок U-образными, по сравнению с горизонтальными, приводит к снижению требуемой поверхности грунта в 10—20 раз. Перспективным направлением является использование вместо змеевиковых поверхностей вертикальных или бесфитильных тепловых труб.

Применение тепловых насосов для кондиционирования воздуха возможно при использовании утилизаторов теплоты удаляемого воздуха. Для этого вначале выполняется расчет теплового баланса здания.

Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть разделена на три категории: утилизация теплоты вентиляционных выбросов, утилизация теплоты систем освещения и утилизация низкопотенциальной теплоты холодильных машин.

Наиболее перспективными теплоутилизаторами могут стать теплообменники на тепловых трубах. Общий вид теплоутилизатора на тепловых трубах приведен на рис. 3.

Альтернативными решениями могут стать мини-ТЭЦ, например, на основе газо-, дизельгенераторов. Для получения тепловой энергии в камере сгорания используется дизельное топливо, природный или сжиженный газ.

Особенно перспективны мини-ТЭЦ для отдаленных районов сельской местности. В качестве топлива в этом случае возможно использование биотоплива, например, метана, полученного в метантенках из отходов сельского хозяйства.

Не менее перспективными являются вихревые теплогенераторы, использующие эффект вихревой трубы (рис. 4) не только при работе на газовых теплоносителях, но и на жидких.

Вихревой теплогенератор предназначен для выработки теплоты в вихревой трубе в виде горячей воды с параметрами 95/70 °С на отопление и 60/15 °С на горячее водоснабжение. Коэффициент преобразования подводимой электрической энергии примерно равен 2.

Рисунок 5. Схема подключения теплового аккумулятора к котельному агрегату: 1 — котел; 2 — экономайзер; 3 — байпасный газоход; 4 — теплоутилизатор, устанавливаемый в газоходе перед дымососом; 5 — тепловой аккумулятор; 6 — подводящие теплоту тепловые трубы; 7 — отводящие теплоту тепловые трубы; 8 — коллектор с нагреваемой средой (водой)

Рассмотренные источники тепловой энергии, например, гелиоустановки, не всегда могут работать в стационарном режиме. Кроме того, потребление тепловой энергии также осуществляется в нестационарном режиме: ночью потребляется энергии меньше, чем днем. Поэтому ночью целесообразно аккумулировать тепловую энергию, а днем, в часы «пик» — использовать. В результате сглаживаются пульсации тепловой энергии, как при ее производстве, так и при генерировании. Виды конструкций тепловых аккумуляторов и их работа описана в работе [3]. Пример компоновки теплового аккумулятора с теплогенерирующей установкой приведен на рис. 5.

Разумеется, для выработки электрической, тепловой энергии и холода в мини-ТЭЦ, тепловых насосах и вихревых теплогенераторах требуется использование электрической энергии, получаемой при сжигании органического топлива. Перспективным решением будущего может быть комбинация мини-ТЭЦ на биотопливе и тепловых насосов или вихревых теплогенераторов, потребляющих вырабатываемую мини-ТЭЦ электрическую энергию.

Тел.: (0732) 51-25-58, 71-53-21

Литература

1. Ливчак В. И. Экспертиза энергоэффективности строительства зданий // АВОК. 2003. № 7.

2. Мелькумов В. Н., Турбин В. С., Семенов В. Н., Кумицкий Б. М. Энергетический и экологический аудиты промышленных предприятий // Научн.-практ. вестник. Воронеж: Энергия. 2001.

3. Сотникова О. А., Турбин В. С., Григорьев В. А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения // АВОК. 2003. № 5.

4. www.transgasindustry.com.

5. Калнинь И. М., Петин Ю. М. Энергетически чистая энергосберегающая система теплоснабжения города Дивногорска Красноярского края с помощью тепловых насосов: Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России // Труды Международного Конгресса, г. Москва, май 1999. Ч. III. М.: НИЦ «Инженер», 1999.