Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы

На сегодняшний день из энергетического баланса Москвы ясно, что основными энергоресурсами являются природный газ − 96 %, мазут – 2,7 % и уголь – 1,3 %. Для решения энергоресурсосберегающих задач рассмотрим перспективу использования в столице тепловых насосов. Известно, что основной и главный момент в применении тепловых насосов − это наличие источника низкопотенциального тепла, без которого тепловые насосы применяться не могут и никакого эффекта не дают. Попытаемся найти такие источники в Москве.

Из общего списка источников низкопотенциального тепла можно использовать солнечную энергию. Солнечная энергия в качестве низкопотенциального источника для тепловых насосов имеет большой ресурс – ее потенциальная доля в энергетическом балансе нетрадиционных источников энергии составляет порядка 4 %. Помимо нее важный ресурс − энергия вентиляционных выбросов жилых и общественных зданий: здания парят, выбрасывают теплый воздух, который нагревается системами теплоснабжения и выбрасывается на улицу – 9 %. Далее можно назвать тепло канализационных стоков – 13,1 %, это тепло, которое уходит с горячей водой, сливаясь в канализацию и т. д. Может быть использовано некоторое количество сбросного тепла от Метрополитена. Максимальный потенциал имеет утилизация низкопотенциального тепла р. Москва − 27,7 % и грунта поверхностных слоев Земли – 46,1 %. При правильном рациональном подходе к этому вопросу все перечисленные источники в состоянии обеспечить и покрыть практически полностью потребность Москвы.

Специалисты Инсолар-Инвест считают, что в сегодняшнем энергетическом балансе Москвы существуют некие перекосы, и давно пытаются пропагандировать и предложить свою схему (рис. 1). Хотя мы привыкли слышать то, что у нас энергодефицитный город, но на самом деле 40−45 % электрогенерирующих мощностей Мосэнерго работают на область. Поэтому, если рационально подойти к этому вопросу, то некоторую значительную часть электрической энергии, особенно внепиковой, можно использовать для привода тепловых насосов. Что тогда может получиться? Если посмотреть на схему (рис. 1), станет понятно: на ТЭЦ пришло 100 ед. топлива в виде природного газа и т. д., 38 ед. − это примерные технические возможности электростанции, 38 ед. выработано в виде электроэнергии, остальное в виде тепловой энергии идет, скажем, на теплоснабжение города. При этом структура нагрузок города такова, что эти мощности соотносятся следующим образом: электрические нагрузки составляют 14 % от общей энергетической нагрузки города. Поэтому, если использовать какую-то часть электроэнергии, идущую на освещение, на нужды столицы и использовать по схеме 28 ед. на привод тепловых насосов, то в итоге, прибавив сюда тепло грунта или других низкопотенциальных источников, получим в таком цикле около 156 ед. полезной энергии.

Рисунок 1. Схема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы

Посмотрим, что может получиться, если 5 тыс. МВт использовать для привода тепловых насосов в городе (таблица). Фактически в этом варианте можно покрыть прирост до 2020 года тепловых нагрузок города с помощью тепловых насосов. Экономический эффект, который при этом может быть получен только на топливе, по нашим оценкам, для Москвы составит около 0,5 млрд долл. США. Это экономия от применения такой схемы.

Таблица
Вариант теплоснабжения Москвы с использование тепловых насосов

Наименование технико-экономических показателей	1999 год	2020 год
		Вариант Генплана	Вариант с ТСТ
Электрическая нагрузка, МВт	6 700	9 500	14 500
Тепловая нагрузка, МВт, из них ТЭЦ	44 900	57 200	57 200 39 700
Доля электрической нагрузки, %	13	14	27

Известно, что теплонасосные системы принято оценивать коэффициентом трансформации энергии. Это тот показатель эффективности, который численно равен количеству полезного тепла, вырабатываемого теплонасосной системой на единицу затраченной энергии на приеме. На рис. 2 показана линиями красно-желтого спектра зависимость идеального коэффициента трансформации (К_{тр ид}) по циклу Карно от температуры низкопотенциального источника (Т_и), а линиями сине-зеленого спектра – реальный коэффициент трансформации (К_{тр реал}), т. е. показатель с учетом КПД реальных систем и машин. То есть можно получать от 2,5 до 3,5 кВт полезного тепла на 1 кВт затраченной электрической энергии.

Рисунок 2.

Зависимость величины коэффициента трансформации энергии от температуры источника низкопотенциального тепла

Был проведен анализ территории России с точки зрения получения энергии с помощью тепловых насосов в условиях российского климата. Построенные изолинии значений коэффициента трансформации грунтовых геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения показали, что на юге страны значение коэффициента трансформации энергии равно примерно 4 и около 2,7 − на севере России. Это достаточно неплохие показатели, и они означают, что на юге можно на 1 кВт получать 4 кВт полезной тепловой энергии. Все районирование было проведено с учетом изменений температур грунта при эксплуатации системы, потому что очень много возникает споров: замерзнет или не замерзнет грунт. Достаточно ответственно можно сказать, что не замерзает. Просто нужно правильно проектировать. Инсолар-Инвест проектирует системы, учитывая тот тепловой режим, который складывается в грунте на пятый год эксплуатации этих систем.

Величина удельных затрат энергии на привод геотермальных теплонасосных систем, приведенных к 1 м² в год, для Москвы составляет около 90 кВт•ч/м², учитывая отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. В МГСМ учитывается только отопление и вентиляция.

Отметим важный момент: не очень эффективно, оказывается, строить систему на максимальной расчетной мощности объекта, потому что получается завышенное значение капитальных вложений. Поэтому, как правило, используется суммарная величина мощности теплового насоса и пикового доводчика, который может работать на традиционном топливе или в виде электронагревателя. Это позволяет оптимизировать и получить достаточно хорошие экономические показатели всей системы в целом.

Рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика к электрической мощности теплового насоса для Москвы составляет, примерно, 1,2. Где-то на Севере и дальше это соотношение равно 2−2,8. Уточним, это отношение не к тепловой мощности теплового насоса, а к электрическому приводу, потому что тепловая мощность будет раза в 3 выше.

А теперь рассмотрим экологический эффект теплонасосных систем. К сожалению, у нас в стране не очень много или вообще, практически, нет нормативных документов, которые позволяли бы учитывать экологическую эффективность подобных систем. А она весьма существенна, потому что по оценкам на 1 руб. или долл. экономического эффекта, получаемого потребителем, государство или муниципалитет, в данном случае, город получают до 3 долл. эффекта именно за счет этой экологической составляющей.

Специалисты Инсолар-Инвест предложили методику, которая позволила бы поставить подобные системы в равные условия с традиционными. Были рассмотрены эти проблемы с учетом экономической целесообразности сопротивления теплопередачи или теплозащиты ограждающих зданий с учетом экологической составляющей в тарифах и без нее. В первом случае, когда рассматривается здание или объект без учета экологической составляющей, получилось значение сопротивления теплопередачи теплозащитной оболочки равное 2,9 м²•град/Вт, т. е. нужно повысить немного сопротивление теплопередачи. Во втором случае, т. е. с учетом экологической перспективы и эффективности различных технологий, это значение составило 4,4 м²•град/Вт.

Методика учитывает экологический ущерб от сжигания органического топлива на территории города. И это должна быть некая добавка к тарифам, по нашим данным, примерно 18 центов за кВт•ч сожженного органического топлива. Это не значит, что люди должны деньги платить. Речь идет о том, что когда на стадии ТДЛ сравнивают варианты различных систем энергоснабжения объекта, то желательно было бы что-то подобное применять для учета экологической эффективности новых систем. Поскольку то, что мы сегодня проектируем, закладываем в проект, эксплуатироваться будет завтра, послезавтра и долгие годы спустя. Поэтому нужно стратегически понимать, какой будет экология города, региона и страны в целом.

Подзаголовок в публикациях:  Васильев Г.П., Научный руководитель группы инновационных компаний "ИНСОЛАР", д.т.н.