Экономические и экологические аспекты внедрения «ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ».

Экономия первичного топлива.

Одно из важных преимуществ использования тепловых насосов является использование для теплоснабжения потоков низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР) и природной теплоты. Это значительно расширяет ресурсную базу теплоснабжения, делает ее менее зависимой от поставок топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости органического топлива.

Одновременно утилизация низкопотенциальной теплоты в промышленности создает хорошие предпосылки для повышения эффективности использования энергии на предприятиях, снижения себестоимости выпускаемой продукции и роста рентабельности. Например, утилизация низкопотенциальной теплоты в системах оборотного водоснабжения предприятий позволяет существенно снизить расход подпиточной воды и объем отведения сточных вод, более экономно расходовать электроэнергию. Утилизация теплоты городских сточных вод повышает эффективность работы городских очистных сооружений и сокращает тепловое загрязнение водоемов.

Теплонасосные установки позволяют рационально использовать электроэнергию в системах теплоснабжения. До сих пор использование электроэнергии с преобразованием ее в теплоту воспринимается энергетической отраслью как нерациональное и ущербное. При этом, как правило, ссылаются на неэффективность двойной трансформации теплоты первичного топлива в электроэнергию и электроэнергии в теплоту, а также на более высокие затраты на производство электроэнергии по сравнению с тепловой энергией. Следует заметить, что такая позиция энергетической отрасли сложилась в условиях, когда электроэнергия использовалась для производства тепла напрямую, в различных электронагревателях и электрических котлах.

При использовании теплового насоса (ТН) электроэнергия потребляется для переноса теплоты от источника НПТ со сравнительно низкой температурой в теплоту сети теплоснабжения с повышенной температурой, то есть одновременно реализуется как тепловое, так и силовое качество электроэнергии, благодаря чему достигается экономия первичного энергоресурса. По существу, расходуемая в тепловом насосе электроэнергия замещает высококачественное топливо: уголь, природный газ и жидкое топливо.

Основной смысл экономического вопроса в применении теплового насоса (ТН) с электроприводом заключается в правильной и объективной оценке эффективности такого замещения как по расходу первичного энергоресурса, так и по уровню затрат. Расчеты показывают, что пропорции в названном размене складываются в пользу теплового насоса (ТН).

На рисунке 2.1 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в системы энергоснабжения объектов городского хозяйства. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 58 % первичного топлива (при коэффициенте преобразования 3).

Применение тепловых насосов с электроприводом не сокращает централизацию теплоснабжения, а переводит ее на более качественный уровень, присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется до 20% потребляемой теплоты.

Существенный дополнительный эффект может быть получен от тепловых насосов, работающих с аккумуляторами теплоты и потребляющих электроэнергию в период ночного провала суточного графика электрической нагрузки в энергосистеме. При этом достигается обоюдная экономическая выгода: для владельца теплонасосных установок – за счет пониженной платы за электроэнергию по ночному тарифу, а для энергосистемы – за счет снижения себестоимости производимой электроэнергии при уплотненном графике электрической нагрузки.

Достаточно эффективно тепловые насосы могут использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут применяться для снижения температуры обратной сетевой воды с обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен.

Для тепловых насосов характерна свобода выбора привода для его работы. Бесспорно, электропривод является самым распространенным устройством, связывающим тепловой насос с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода могут применяться детандер-генераторные установки, использующие избыточное давление природного газа в газоснабжающей системе, небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Последние обладают определенным преимуществом перед другими видами привода, поскольку дают возможность догрева теплоносителя после теплового насоса (ТН) отходящими продуктами сгорания до температуры, существующей в местных системах теплоснабжения.

Преимущество тепловых насосов состоит также и в том, что они могут применяться в комбинации с другими нетрадиционными теплоисточниками, такими, как солнечные водонагреватели, биоэнергетические установки, установки по переработке и сжиганию твердых бытовых отходов.

Тепловые насосы имеют существенные отличия от традиционных источников, которые необходимо учитывать при их экономическом выборе. При этом, в настоящее время нет общепризнанной методики экономических обоснований эффективности применения тепловых насосов. Ее разработка во многом осложнена отсутствием единой типовой методики технико-экономических расчетов, утвержденной на государственном уровне. Применяемая сейчас при составлении бизнес-планов методика оперирует критериями чистой дисконтированной прибыли и связывает выбор того или иного технического решения с экономическим интересом инвестора, ставя этот выбор в зависимость от существующей на данный момент налоговой системы, тарифной и ценовой политики и других факторов, которые с течением времени могут меняться.

Надежность и эксплуатационные характеристики истем на базе «ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ».

Помимо весьма высокой эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает чрезвычайную долговечность и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:

-   бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух» – 15 лет;

-   тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;

-   тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух» – 20 лет.

Цифры весьма внушительные и лишний раз подтверждают высокое качество этих агрегатов. В их пользу говорит и такой факт: исследование проводилось на машинах, оснащенных большей частью переменными герметичными компрессорами. Если бы проверка проводилась в наши дни, результаты могли бы быть еще более впечатляющими, поскольку ныне почти повсеместно применяются спиральные компрессоры.

Результаты, полученные экспертами ASHRAE (рис.2.2, 2.3), нашли подтверждение в данных других исследований. Институт EPRI еще в 1990 году провел опрос сотрудников трех энергетических компаний об установленных у обслуживаемых ими пользователей тепловых насосах общим количеством 4 557 единиц в различных регионах Соединенных Штатов. По результатам этих исследований спустя 15 лет после ввода в эксплуатацию тепловых насосов больше половины из них продолжали успешно работать. В этом исследовании большей частью фигурировали агрегаты с герметичными компрессорами переменного типа, примерно в половине случаев с момента установки они не менялись. Следует подчеркнуть, что это были реверсивные тепловые насосы, имеющие два рабочих режима – отопления и охлаждения, то есть агрегаты, которые работали на износ практически круглый год. Замены, произведенные на второй половине аппаратов, были обусловлены их моральным старением, а не поломкой (то есть потребитель предпочел установить более современные модели).

Развитие и совершенствование технологии изготовления тепловых насосов последних лет еще более утверждают в преимуществе этих систем перед газовыми котлами.

Преимущества тепловых насосов в сравнении с газовым, дизельным и электрическим отопительным оборудованием приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Примерные сравнительные эксплуатационные характеристики различного типа отопительного оборудования (180 м² отапливаемой площади). 

Срок эксплуатации теплового насоса не ограничивается даже 30-ю годами, в то время как газовое отопительное оборудование требует постоянной смены горелок с периодичностью в 3-5 лет. Стоимость одной горелки составляет 1000-1500$.

Газовое отопительное оборудование требует постоянного обслуживания, в противном случае оно становится опасным. Печальная статистика пожаров и несчастных случаев, связанных с газовым и дизельным отопительным оборудованием, растет с каждым днем.

Как было показано выше, в процессе эксплуатации систем на базе тепловых насосов, происходит экономия первичного топлива. В результате воздействие таких систем на окружающую среду существенно снижается. Сегодня они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.

Проведенные исследования помогают провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО₂

Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), выбрасывает в атмосферу СО₂ на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.

Внедрение тепловых насосов приводит также к снижению и других вредных соединений (таблица 2.2)

Таблица 2.1. Сравнительная оценка вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных тепловых источников тепловой мощностью 1,16 МВт.

Таким образом, применение систем на базе тепловых насосов – это во многих случаях экономически оправданное решение, ведущее как к сбережению невозобновляемых энергоресурсов, так и к защите окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов СО₂ в атмосферу.