Мороз и энергетика
В часы пиковых нагрузок в ряде регионов электростанции выдавали рекордный максимум по выработке тепловой и электрической энергии. В большинстве регионов ограничивались поставки энергии потребителям, что заставило последних вводить режим жесткой экономии. Потребление электроэнергии в частных квартирах также резко возросло из-за использования дополнительных обогревательных приборов.
Но ограничение поставок электроэнергии может быть не только временным, обусловленным сложными климатическими условиями. Лимиты на поставку электроэнергии зачастую связаны с пропускной способностью местных распределительных сетей или возможностями трансформаторных подстанций. Для крупных промышленных потребителей ограничения могут быть более серьезными, а стоимость сверхлимитных объемов электроэнергии высокой.
Данные проблемы накладывают ограничения на работу всех систем внутри каждого отдельного здания, в т.ч. систем кондиционирования и персонального отопления. Эти установки одни из самых затратных по энергопотреблению. Соответственно, необходимо учитывать описанные ограничения, а система должна быть способна работать в энергосберегающих режимах. Особенно актуальным в таких условиях становится вопрос о новых энергосберегающих технологиях и о комплексах, способных эффективно работать при низком энергопотреблении.
Часто перед инженерами-проектировщиками стоит задача не просто снизить потребление, а построить систему, которая будет способна работать в условиях ограниченного электроснабжения. Альтернатив для решения подобной проблемы на рынке климатического оборудования пока не много. В основном это конкуренция не между технологиями, а между производителями климатического оборудования на основе геотермальных теплонасосных систем.
Геотермальная экономия
Используя природное тепло, геотермальная теплонасосная установка (ТНУ) с помощью компрессора нагревает воду в кольцевом контуре внутри здания до 50–55 °C, что позволяет обогревать воздух в помещениях до комфортных для человека температур. Источником природного тепла могут служить грунт, водоем, подземные воды. Тепло земли транспортируется к насосу с помощью другого кольцевого контура, по которому также циркулирует вода или жидкость с добавлением антифриза.
Для стабильной и эффективной работы геотермальной системы достаточно геотермального источника с температурой выше –4 °C. То есть система утилизирует тепло земли и транспортирует его в здание, фактически являясь идеальным с экологической точки зрения способом отопления. Благодаря природному теплу, энергоэффективность системы получается высокой. Фактически коэффициент преобразования энергии колеблется от трех до шести, т.е., затрачивая на работу теплового и циркуляционного насоса один киловатт электроэнергии, на выходе можно получать 3–6 кВт тепла.
Предлагается рассмотреть системы отопления, не завязанные напрямую на городскую теплоцентраль, т.е. системы, в которых нагрев теплоносителя производится непосредственно конечным потребителем. Чаще всего автономное теплоснабжение обеспечивают при помощи электрических или газовых бойлеров — котельных установок, использующих достаточно дорогие энергоресурсы.
Притом электрический обогрев более распространен, т.к. требует меньше внимания, более безопасен и нет необходимости подведения дополнительных коммуникаций. Чтобы понять возможности для энергосбережения в таких системах, необходимо определить точки потребления электричества и рассмотреть качественные характеристики, определяющие их энергоэффективность. Главным образом электроэнергия затрачивается на обогрев теплоносителя до необходимой температуры.
Это может быть вода в кольцевом контуре климатической системы, непосредственно воздух или вода в системе радиаторного отопления. Притом более эффективным является именно воздушное отопление ввиду малой инерционности и более эффективного распределения потоков теплого воздуха в помещении. Далее электроэнергия затрачивается на работу насосов, обеспечивающих нормальную циркуляцию теплоносителя внутри системы.
Соответственно можно повышать энергоэффективность, качественно улучшая теплообменники в котлах и саму систему для снижения необходимой мощности циркуляционного насоса. После циркуляционного насоса в систему включаются позонные тепловые насосы, которые утилизируют излишки тепла или обогревают зону за счет тепла, накопленного в кольцевом контуре. Избыток или недостаток тепла в контуре компенсируется за счет геотермального блока системы.
Частично избыточное тепло накапливается в специальном аккумуляторе — баке-накопителе. В геотермальной теплонасосной системе ситуация с энергосбережением несколько иная. Здесь также есть циркуляционные насосы, которые прокачивают теплоноситель по кольцевым контурам (подземному и внутреннему). Их производительность относительно невелика, однако необходимо учитывать, что протяженность подземного контура достаточно большая — например, для отопления дома площадью 800 м2 общая длина составляет порядка 800 м.
А вот нагревательных элементов в геотермальной системе нет — электроэнергия затрачивается только на работу компрессоров в каждом из тепловых насосов. Учитывая высокий коэффициент преобразования, относительное потребление электроэнергии в этом случае очень мало, но и здесь есть возможности для снижения энергопотребления. Ведущие мировые производители геотермальных тепловых насосов работают в настоящее время над улучшением теплообменников в самих ТНУ, снижением температуры низкопотенциальных источников, которые используются геотермальными системами, и повышением температуры теплоносителя внутри кольцевого контура.
Если в крупном здании функционирует моновалентная климатическая система, то от больших затрат электроэнергии никуда не денешься, т.к. отсутствие радиаторного отопления в здании требует обогрева с помощью альтернативных систем. А это соответственно потенциально высокие затраты на эксплуатацию. Сегодня стоимость электроэнергии в России достаточно низкая, если сравнивать ситуацию с западными странами.
Но в скором времени этот разрыв сократится, и системы, подобные геотермальным, станут популярнее. Пока же вопросы энергосбережения напрямую касаются только тех потребителей, которые ограничены жесткими рамками тех самых лимитов. Для средней полосы России необходимая и достаточная тепловая мощность отопительного оборудования колеблется в районе 10 кВт на 100 м2 площади.Работая в данном режиме, для обогрева помещения с такой площадью геотермальная кольцевая система будет потреблять от 1,5 до 3 кВт электроэнергии, расходуемой на работу теплонасосных установок.
В кольцевой системе тепло не только поступает в помещение из природных источников, но также утилизируется и перемещается внутри здания в случаях, когда в каких-либо зонах оно избыточно. Например, в хорошо сбалансированной системе тепла, производимого внутри дома, зачастую достаточно для отопления — его необходимо лишь перемещать в различные зоны.Важно заметить, что для моновалентной системы сильные морозы — это период повышенного риска.
Если нет резервного источника аварийного электропитания, отключение электричества грозит полной разморозкой системы. С одной стороны — это ситуация экстренная, с другой — практика показывает, что аварии на подстанциях и в сетях случаются с достаточной регулярностью. Застраховаться от этого можно только двумя способами: установив источник автономного питания или используя бивалентную систему на базе городской теплоцентрали.
В случае с лимитированным энергоснабжением у кольцевой теплонасосной системы проявляется еще одно качество — система децентрализована и не имеет единого крупного центра энергопотребления. Поэтому часть тепловых насосов системы может быть отключена, если в данный момент не требуется сильного обогрева. При необходимости согреть воздух в ней можно будет быстро, так как воздушное отопление, как уже говорилось, характеризуется малой инерционностью.
Например, в ряде случаев можно отключать «теплые полы» и обогрев полуподвальных нежилых помещений. Это позволит снизить и без того небольшое энергопотребление системы. Регулировка мощности у ТНУ обычно не производится, это системы прямого расширения, а регулировка температурного режима происходит путем включения/ выключения по установленной на термостате температуре.
Конечно, широко внедряемые в последнее время частотные преобразователи могут в ряде случаев решать данную проблему и позволяют плавно регулировать производительность климатического оборудования, в т.ч. и тепловых насосов. Однако пока они очень дороги и их применение не носит массового характера.
Отечественный и мировой опыт
В ряде регионов лимиты по электроснабжению связаны с опережающим ростом потребления, не покрытым возможностями по генерации и передаче электроэнергии. В качестве примера можно привести Краснодар, где темпы строительства в последние годы заметно возросли. До недавнего времени это был город низкоэтажной застройки, и лишь в последние 12–15 лет этажность домов увеличилась.
Новые здания, офисные центры, производственные помещения, гостиницы строятся в тех районах, где изначально инфраструктура не предусматривала наличие такого количества потребителей тепла и электричества. Поэтому применение геотермальных насосов — практически единственный выход, тем более что они могут использоваться в условиях стесненного свободного пространства — если подземный контур закладывается в скважины, то необходимые площади сводятся к 2–6 м2.
Самые крупные «геотермальные» проекты запускаются сейчас именно в Краснодарском крае. Мировой опыт подтверждает целесообразность использования геотермальных теплонасосных систем в условиях ограниченных поставок электроэнергии. Например, в Шотландии по программе доступного жилья был построен целый ряд жилых низкобюджетных комплексов. Учитывая высокую стоимость тепловой и электрической энергии, проектировщики ориентировались на то, чтобы получить максимально дешевую стоимость эксплуатации для жильцов.
Для обогрева были использованы геотермальные тепловые насосы, которые используют в качестве источника низкопотенциального тепла воду из старых затопленных угольных шахт, в большом количестве расположенных в округе и имеющих постоянную температуру воды +12 °С. В итоге ежемесячная стоимость отопления для жителей составила всего два доллара в месяц на каждую из квартир.
Нужно учитывать, что лимит на поставку электроэнергии — это, прежде всего, экономическое ограничение, т.е. поставка сверхлимитной электроэнергии слишком дорога, чтобы активно ее использовать. Фактические ограничения на поставляемую энергию встречаются крайне редко, как правило — в случае сильно изношенных сетей и распределительного оборудования. В России первые крупные геотермальные проекты были запущены совсем недавно.
Все они являются «пилотными», цифр и показателей эффективности работы по ним пока нет. Таким образом, уже на практике система должна подтвердить свою работоспособность в российских условиях, т.к. отечественного опыта в этой сфере практически нет — проектировщики ориентируются в основном на достаточно обширный опыт западных коллег. Но уже сегодня практика показывает, что именно возможность работы в условиях ограниченной поставки электроэнергии — решающий фактор при выборе геотермальной системы в качестве основного способа отопления.
