Вступление

Помимо данных, представленных в аннотации, в статье приводится анализ разработок по использованию теплонасосных установок (ТНУ) головной организацией СССР — институтом ВНИПИэнергопром (город Москва). В 1992–2000 годах в Российской Федерации было освоено производство парокомпрессионных и абсорбционных тепловых насосов (ТН) с единичной мощностью до 5 МВт. Отмечена ведущая роль в эти годы новосибирской теплонасосной школы. Анализируется российский опыт 2015–2020 годов сооружения теплонасосных геотермальных систем теплоснабжения (ГСТ) с использованием поверхностных геотермальных источников энергии (грунтов, подземных и наземных водных потоков).

Отмечено, что единственной госкорпорацией, включившей в стратегию своего развития внедрение тепловых насосов, является ОАО «РЖД». На российском рынке тепловых насосов работает около 20 частных предприятий, использующих преимущественно ТН зарубежных производителей и иностранные методики по их проектированию. ГК «Инсолар-Инвест» (Москва), ООО «ИЭТ-Геотерм» (город Сочи) применяют собственные методики. ООО «Термекс Энерджи» (входит в структуру корпорации «Термекс») в 2020 году приступило к выпуску ТН единичной мощностью до 56 кВт.

В современном мире развитие возобновляемой энергетики является одним из ведущих трендов. После ветровой и солнечной геотермальная энергетика занимает третье место. Суммарная установленная мощность геотермальных ТНУ в 2020 году, по данным [1], составляла 77,5 ГВт с выработкой тепловой энергии 16,8 ГВт·ч/год. При этом их доля в мировом геотермальном теплоснабжении увеличилась до 71,6%, а выработка тепловой энергии до 59,2%.

Теплонасосные технологии получили наибольшее применение при использовании поверхностных геотермальных ресурсов на глубине до 400 м, для оценки которых принципиально важное значение имеет понятие «нейтрального слоя». В теплофизике горных пород на глубинах ниже нейтрального слоя определяющую роль имеет глубинный тепловой поток из недр Земли. На меньших глубинах тепловой режим пород в основном формируется солнечным излучением и климатическими факторами.

В общем случае теплонасосная геотермальная система теплоснабжения состоит из трёх основных элементов: устройства для отбора тепла от массива горных пород, грунтовых или поверхностных вод; собственно тепловых насосов, повышающих низкотемпературное тепло до более высокой температуры, и системы теплоиспользования конкретных объектов.

Из анализа современного российского опыта геотермального теплоснабжения [2, 3] следует, что одной из проблем, препятствующей его массовому применению, является отсутствие современных методик оценки и расчёта тепловых режимов поверхностных слоёв грунтов и водоёмов. Использование западноевропейских методик без учёта специфики российских регионов приводит к существенным проблемам при эксплуатации ГСТ и в ряде случаев — к их дискредитации.


Группа термальных источников на реке Горячая. Природный парк «Налычево», Камчатка

Геотермальные поверхностные тепловые ресурсы

При оценке теплового потенциала поверхностных геотермальных ресурсов выделяют два основных подхода. В конце XX века специалистами по теплофизике Ленинградского горного института (ЛГИ) под руководством д.г.-м.н. Ю. Д. Дядькина и д.т.н. Э. И. Богуславского были выполнены исследования всей территории СССР с оценкой теплового потенциала поверхностных геотермальных ресурсов.

В монографии Э. И. Богуславского [4] приведена карта температурного режима нейтрального слоя территории РФ. Из карты следует, что температура нейтрального слоя зависит от климатических и ландшафтных условий. Для арктических местностей она изменяется от +3°C до отрицательных значений, а в южных районах составляет 10–15°C. В регионах современной вулканической активности (Камчатка, Курильские острова), где перенос тепла обусловлен конвективной составляющей, температуры грунтов на поверхности земли могут превышать указанные значения.

В Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г. В. Плеханова, преемнике ЛГИ, были составлены обзорные карты в масштабе 1:25000000 распределения температур горных пород на глубинах 40, 100 и 200 м [4]. Одна из таких карт характеризует распределение поверхностных геотермальных ресурсов на глубине 100 м.

Принципиально важное значение в горной теплофизике имеет проницаемость пород. В слабопроницаемых грунтах (скальные породы, глина) преобладает кондуктивный перенос тепла. Температура таких пород слабо зависит от сезонных климатических колебаний. В высокопроницаемых водонасыщенных породах (галечники, крупнозернистые песчаники) решающую роль для теплового режима играет конвективный тепломассообмен.

При оценке теплового потенциала поверхностных водоёмов и водостоков следует учитывать решающую роль солнечной радиации. При этом температура дна наземных водоёмов поддерживается глубинным тепловым потоком.


Геотермальная жемчужина Камчатки — Долина Гейзеров (более 20 крупных гейзеров)

Результаты исследований кондуктивного теплообмена в поверхностном горном непроницаемом массиве представлены в [4]. Там же приводятся результаты исследований конвективного теплообмена в проницаемых водонасыщенных горных породах при обтекании ствола геотермальной скважины подземными водами. По утверждению Э. И. Богуславского, для оптимизации параметров поверхностной ГСТ целесообразно применять имитационные экономико-математические модели со следующими критериями: чистый дисконтированный доход (ЧДД, NPV) за весь срок службы; приведённые затраты; коэффициент экономической целесообразности (соотношение приведённых затрат на производство теплоты ГСТ и «альтернативной котельной»). Структура экономико-математической модели содержит блоки: исходные данные; параметры системы теплоснабжения; расходы сетевой воды; теплообменные процессы в скважинах; потери напора в ГСТ; расчёты ТНУ; теплотехнические характеристики ГСТ; экономические показатели; параметры и показатели «альтернативной котельной»; технико-экономические параметры и показатели ГСТ. Данная методика в основном применяется при масштабных региональных исследованиях.

Для создания локальных ГСТ д.т.н. Г. П. Васильевым были разработаны рекомендации по применению тепловых насосов [5]. Под его руководством также разработан метод математического моделирования теплового режима в грунтах ГСТ, в том числе с учётом фазовых переходов воды в порах грунтов в условиях средней полосы России [6]. Критерием эффективности ГСТ при этом предложено среднее пятилетнее значение коэффициента трансформации теплоты. Указанные материалы требуется доработать для применения в других регионах РФ и адаптировать их для массового применения.

Советский опыт

Инициатором теплонасосного теплоснабжения в СССР был физик Владимир Александрович Михельсон (1860–1927), который в 1926 году опубликовал статью о солнечной системе теплоснабжения с тепловым насосом [7]. Практический опыт применения ТН, в том числе в геотермальном теплоснабжении, был накоплен в 1950-х годах в грузинской школе теплонасосных установок.

Лидером этой школы был академик Вахтанг Иванович Гомелаури, который в 1953 году в журнале «Холодильная техника» в соавторстве с А. И. Мусхелишвили опубликовал статью об использовании ТНУ для утилизации отработанных геотермальных вод для теплоснабжения санаторных объектов. В 1970-х годах д.т.н. Отаром Шаловичем Везиришвили были разработаны и построены в Абхазии несколько поверхностных геотермальных систем теплоснабжения (ПГСТ) с использованием тепла морской воды Чёрного моря [8], в том числе торговый центр в городе Сухуми (1971) и курортный зал в городе Пицунда (1977).


Дом отдыха «Гумиста» в Сухуми был оборудован первой в СССР гелио-ТНУ. Фото 1986 года

Д.т.н. О. Ш. Везиришвили совместно с д.т.н. Нукзаром Варлановичем Меладзе в эти же годы в Сухуми для дома отдыха «Гумиста» построили первую в СССР гелио-теплонасосную установку площадью 980 м². Все грузинские ТНУ использовали адаптированные советские холодильные машины ХМФУУ-80 тепловой мощностью 145 кВт. На основе многолетнего опыта разработки и эксплуатации ТНУ с участием указанных авторов в 1986 году были разработаны «Рекомендации» [9], которые в том числе включали методику расчёта оптимальной производительности ТН и технико-экономическое обоснование их применения. В 1987-м ими же были разработаны «Методические указания по определению экономической эффективности установок с использованием ВИЭ», в котором оценивался их потенциал с приложением базы расчётных данных солнечной радиации, скоростей ветра, температур водоёмов, воздуха, грунтов регионов Грузии.

В СССР разработкой холодильных машин и тепловых насосов занимался институт ВНИИхолодмаш (Москва). Однако адаптированные им для работы в теплонасосном режиме холодильные машины быстро выходили из строя. Основной причиной было то, что соотношение давлений хладагента на входе и выходе из них было существенно выше, чем у обычных холодильных машин (6–7 и 9–10, соответственно). Автор данной статьи в 1982–1984 годах при эксплуатации компрессора А-220–0 производства московского завода «Компрессор» в режиме геотермального теплового насоса на своём опыте убедился в повышенном износе кривошипно-шатунного механизма, проблемах с маслохозяйством и автоматикой [10]. Вследствие низкой надёжности таких машин при проектировании ТНУ на морской воде в городе Ялте на каждый блок «испаритель-конденсатор» были установлены по два компрессора (рабочий и резервный).

В СССР головной организацией по проектированию теплонасосных установок был институт ВНИПИэнергопром (Москва), крымский филиал которого в 1986 году разработал проект ТНУ для пансионата «Дружба» в Ялте с использованием тепла морской воды. Данная демонстрационная ТНУ расчётной тепловой мощностью 2,1 МВт [11] являлась советской учебно-методической базой по подготовке специалистов для эксплуатации этого оборудования.


Пансионат «Дружба» (посёлок Курпаты, городской округ Ялта) послужил экспериментальной площадкой для демонстрационной ТНУ (2,1 МВт) с использованием тепла морской воды

Всего крымским филиалом института ВНИПИэнергопром было разработано 26 проектов теплонасосных установок с 117-ю тепловыми насосами общей тепловой мощностью 165 МВт, в том числе геотермальных и с использованием тепла морской воды. При обобщении этого опыта головным институтом ВНИПИэнергопром в 1986 году были разработаны «Методические указания» [12].

В 1980-х годах разработкой проектов ТНУ занимался также московский Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования инженерного оборудования (ЦНИИ ЭПИО), который в 1986 году разработал соответствующие «Рекомендации» [13].

В 1987 году совместным постановлением ведущих структур советского правительства, Госпланом, Бюро Совета Министров по ТЭК, Госкомитетом по науке и технике были разработан и утверждён к реализации комплекс мероприятий по увеличению использования ВИЭ в народном хозяйстве СССР в 1987–1990 годах. Предусматривалось в том числе построить теплонасосные установки общей тепловой мощностью 320 МВт.

Таким образом, в СССР была создана теоретическая теплофизическая база оценки поверхностных геотермальных ресурсов, производилось адаптированное для работы в теплонасосном режиме оборудование, были разработаны методические материалы по проектированию ТНУ, сооружались десятки установок, велась подготовка эксплуатационных кадров.

Российский опыт в 1992–2000 годах

В 1990-е годы в России было освоено производство специализированных тепловых насосов. Парокомпрессионные ТН производил в Москве завод по выпуску холодильных машин «Компрессор» (тип НТ-410 мощностью 400 кВт), а в городе Рыбинске — Рыбинский завод приборостроения (тип АНТУ мощностью 10,3; 12,0; 14,0 кВт). Абсорбционные ТН производили в Новосибирске ООО «Термонасос» и ОКБ «Теплосибмаш».

В эти годы ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская, созданная академиком Владимиром Елифирьевичем Накорякиным (1935–2018) и его учениками. К.т.н. Юрий Маркович Петин (1939–2017) в Новосибирске организовал производство типоряда ТН мощностью от 100 кВт до 5 МВт. За десять лет, в 1990–2000 годах, под его руководством ЗАО «Энергия» произвела 126 машин общей мощностью 40 МВт [14]. В этом же городе ученик В. Е. Накорякина д.т.н. Сергей Львович Елистратов выполнил исследования теплонасосных технологий с обширным перечнем актуальной литературы (321 наименование) [15]. На сайте prometens.nsc.ru А. П. Зарубиным представлена современная отечественная библиография по ТН из 116 наименований.


Современная абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина Broad BDS300

Абсорбционные ТН были разработаны и изготовлены в 1994 году в новосибирском Институте теплофизики СО РАН на основе собственных НИР и ОКР, а также результатов исследований Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ, ныне присоединён к Университету ИТМО). Базовые модели АБНТ-2000П (с паровым обогревом) и АБНТ-5000Т (с газовым или мазутным обогревом) имели мощности 2 и 5 МВт, соответственно. Инициатором производства применения абсорбционных ТН является к.т.н. Валерий Гаврилович Горшков (1941 г.р.) [16].

В 1999 году по инициативе новосибирских учёных и инженеров была разработана и утверждена единственная в России региональная программа массового внедрения теплонасосных установок в 30 сёлах, деревнях и городах Новосибирской области.

Известным российским специалистом д.т.н. Даниром Галимзяновичем Закировым (1939 г.р.) в 1990-е годы в городе Перми была создана школа применения тепловых насосов, в том числе с использованием тепла шахтных вод десятка горных предприятий, тепла канализационных стоков и т. п. [17].

Высокой эффективностью и быстрой окупаемостью характеризуются децентрализованные (кольцевые) геотермальные теплонасосные системы. Эти кольцевые системы были разработаны в США. Они отличаются низкотемпературным водяным кольцевым контуром внутри здания и установкой реверсивных ТН в каждом помещении. Первая такая ГСТ в России была построена в 1991 году для восьмиэтажного здания Iris Congress Hotel в Москве (сейчас находится в составе сети Holiday Inn Hotels) на 195 номеров [18]. Всего в помещениях отеля было установлено около 300 реверсивных ТН вида «вода-воздух». Особенностью данной системы является возможность перераспределения избыточных тепловых потоков между помещениями.

Децентрализованная ГСТ в 2007 году была построена в городе Краснодаре для отопления и кондиционирования административного здания с общим объёмом 10,2 тыс. м² с расчётными нагрузками отопления — 45 кВт, кондиционирования — 68 кВт [19]. Перед зданием были пробурены 16 геотермальных скважин глубиной 90 м. Каждая скважина оборудована У-образной пластиковой трубой диаметром 32 мм. В подвесных потолках помещений здания смонтированы 16 тепловых насоса (вида «вода-вода») и проточно-вентиляционные установки. ТН работают в реверсивном режиме и летом сбрасывают избыточное тепло помещений в геотермальные скважины. Двенадцатилетний срок эксплуатации подтвердил основные проектные показатели системы, фактический срок окупаемости данной ГСТ составил шесть лет.

В книге А. Б. Алхасова [20] представлены результаты работы ГСТ с гелиоустановкой, которая в межотопительный период восстанавливает тепловой режим горных пород после зимнего отвода тепла на отопление. Расчётная тепловая мощность ГСТ — 15 кВт. Скважинный теплообменник с обсадной трубой 148 мм и внутренней трубой 40 мм имеет глубину 100 м, площадь солнечных коллекторов — 20 м², тепловая мощность ТН «вода-вода» равна 9,4 кВт. На примере опытной эксплуатации этой ГСТ было показано, что отопление и горячее водоснабжение (ГВС) объекта в зимнее время возможно от скважинного теплообменника, а в летнее время обеспечение ГВС и пополнение тепловой энергии горных пород осуществляется теплоносителем гелиоустановки.

Опыт проектирования и эксплуатации ТН до 2015 года обобщался в журнале «Тепловые насосы», издававшимся в городе Харькове (Украина). На сайте этого журнала имеется обширная библиография российских, украинских и зарубежных публикаций.

Таким образом, в 1990–2000 годах в РФ было организовано производство и внедрение парокомпрессионных и абсорбционных ТН собственных конструкций. Зарубежное теплонасосное оборудование по экономическим показателям тогда было недоступно. Ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская. В Новосибирская области была начата реализация региональной программы внедрения тепловых насосов.

Современный опыт

В настоящее время в России отсутствует государственная поддержка отрасли теплонасосного оборудования. Действующим Распоряжением Правительства РФ от 1 июня 2021 года №1446-р из всех видов ВИЭ до 2035 года предусмотрено только электроснабжение на основе ветровых, фотоэлектрических и малых гидравлических станций. Региональные программы развития ТНУ также отсутствуют. Из анализа опыта работы российских фирм [2, 3] следует, что в стране существует небольшой рынок ТНУ, на котором работают до 20 небольших частных компаний.

В работе [3] Ассоциация специалистов «Зелёный киловатт» представила перечень объектов с использованием ВИЭ, в том числе геотермальных тепловых насосов. Из 14 жилых домов геотермальные ТН применены в половине из них. Для отопления трёхэтажного МКД в посёлке Решетниково Клинского района Московской области построена ГСТ с 65 зондами (скважинами) и четырьмя ТН типа «Корса-55» общей мощностью 165 кВт. Из 19 административных, коммерческих и социальных объектов ТН применены в 13 случаях, в том числе для отопления административных зданий в городе Приозерске Ленинградской области с ТН типа TME GHP68S мощностью 68 кВт с использованием тепла канализационных стоков, отопление магазина в посёлке Сугун в Новосибирской области с 24 геотермальными зондами и тремя ТН типа «Экомер-ЭКО-12 Инвертор» общей тепловой мощностью 36 кВт. 14 промышленных объектов геотермальные ТН применены в 11 случаях, в том числе для отопления десяти вокзалов «РЖД» с грунтовыми ГСТ с ТН различных производителей.


Энергоэффективный дом в посёлке Решетниково Клинского района (ул. Парковая, д. 3) оборудован ГСТ с 65 скважинами и четырьмя тепловыми насосами «Корса-55» (165 кВт)

Как следует из [3], в России единственная госкорпорация — ОАО «Российские железные дороги» — планомерно занимается внедрением тепловых насосов. Согласно её энергетической стратегии, до 2030 года планируется замещение ВИЭ, в том числе тепловыми насосами, до 10% потребления органического топлива объектами стационарной энергетики.

В связи с ограниченностью рынка российские разработчики ТНУ используют зарубежные конструкции тепловых насосов и в основном задействуют методики расчёта и проектирования соответствующих компаний. В ГК «Инсолар-Инвест» под руководством д.т.н. Г. П. Васильева в 2001 году было разработано «Руководство по применению тепловых насосов…» [21]. Перед проектированием геотермальных ТНУ собственным исследованием тепловых характеристик грунтов занимался генеральный директор ООО «ИЭТ-Геотерм» (город Сочи) Виктор Анатольевич Малкин.

В 2020 году компания «Термекс Энерджи» (город Тосно Ленинградской области), входящая в структуру корпорации «Термекс», приступила к производству геотермальных тепловых насосов: бытовой серии Compact, мощностью 6–18 кВт со встроенным ТЭНом и циркуляционными насосами, и двухкомпрессорной серии Pro мощностью 16–56 кВт.

С использованием этого оборудования построены несколько ГСТ, в том числе школы в посёлке Житково в Выборгском районе Ленинградской области с тремя ТН Thermex Energy Pro 35 (112 кВт) и 14-ю геотермальными скважинами (145 м).


Здание школы (МБОУ «Житковская СОШ») в посёлке Житково Выборгского района Ленинградской области отапливается ГСТ с тремя тепловыми насосами Thermex Energy Pro 35 (112 кВт)

Как следует из информационного бюллетеня Ассоциации российской возобновляемой энергетики (АРВЭ) за 2021 год [22], стимулирование спроса на возобновляемую энергетику в России осуществляется в основном на оптовом и розничном рынках электроэнергии, а также организацией торговли «зелёными» сертификатами. Проект закона о поправках в действующий закон «Об электроэнергетике», подготовленный в 2020 году Минэнерго РФ, предусматривает в том числе введение «зелёных» сертификатов для квалифицированных объектов с использованием геотермальной энергии с природными подземными теплоносителями, а также низкопотенциальной тепловой энергии земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей.

Анализ мирового опыта сооружения ГСТ показал, что один из лучших результатов был достигнут в Германии. Немецкая Федеральная ассоциация тепловых насосов (BWP) объединяет 700 проектных, эксплуатационных, буровых организаций с общей численностью сотрудников 5000 человек и с годовым оборотом €1,5 млрд. В её состав входят в том числе Федеральная ассоциация поверхностного отопления и охлаждения (BVF), Немецкая холодильная и климатическая ассоциация (DKV), Центр испытаний и повышения квалификации «Тепловые насосы и холодильная техника».

Выводы

С учётом изложенного можно сделать следующие выводы:

1. В России имеется многолетний опыт разработки, производства и эксплуатации геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения. В основе этой технологии результаты исследований советских горных теплофизиков по поверхностной геотермии. В постсоветский период эти исследования были практически прекращены, а их результаты требуют актуализации в современных условиях. Отсутствуют действующие российские методики и компьютерные программы для расчётов теплообмена при создании ГСТ, а применяемые зарубежные не всегда учитывают грунтовые условия регионов РФ.

2. В России отсутствует государственная поддержка развития рынка теплонасосных установок. В настоящее время российский рынок геотермальных тепловых насосов представлен в основном зарубежными изделиями. Единственной государственной корпорацией, систематически внедряющей тепловые насосы, является ОАО «РЖД».

3. В современных российских условиях для консолидации рынка теплонасосных ГСТ целесообразно создание национальной ассоциации тепловых насосов.