Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловые насосы. Теория принятия решений. Учебно-методическое пособие
.pdf
11
Несмотря на положительные стороны в экономической составляющей, было зафиксировано падение производительности труда на чуть менее
чем 1 %. На начало следующего года запланирован следующий цикл инвестирования в рамках программы модернизации ТЭС и внедрения цифровых
технологий. Все это будет происходить на фоне падения платежей по ДПМ.
Одна из самых больших проблем сектора электроэнергетики – очень
большой срок окупаемости. Во многом это связано с длительным созданием
генерирующих мощностей (в большинстве случаев – от 5 лет). Средний возврат средств составляет 15–20 лет. Нужно учесть также определенную нестабильность в глобальной экономической ситуации и то, что частным инвесторам интереснее всего проекты со сроком окупаемости 3–5 лет. Кроме
того, привлечение денег из-за рубежа затруднено в связи с колебаниями
курса валюты и дополнительными рисками, связанными с санкциями со стороны западных государств.
По результатам реформ, состоявшихся в первой половине 2000-х, генерирующим компаниям, в структуре которых большое значение имеет
частный капитал, объявили о необходимости создавать новые мощности в
электроэнергетике, урегулировав вопрос с помощью договоров ДПМ. При
этом были озвучены гарантии возмещения трат в течение десяти лет. Компании также приступили к реализации задачи, будучи уверенными в том,
что с годами средства будут возмещены потребителями энергии. В результате 2013–2014 гг. ознаменовались подъемом показателей в отрасли, большое значение для этого имели нерыночные механизмы.
С тех пор в сфере электроэнергетики не были разработаны долгосрочные рыночные инструменты, способствовавшие развитию отрасли. Единственно рабочим механизмом привлечения денег были и остаются упомянутые ранее договоры на поставку мощности. Их безальтернативное использование стало причиной падения инвестиционной привлекательности электроэнергетики. ДПМ дают стопроцентную гарантию успеха только при соблюдении двух условий:
значительная сумма вложений;
потребители смогут компенсировать все допущенные просчеты при
проектировании.
Рис. 3. Диаграмма влияния механизма ДПМ
на инвестиционный процесс в электроэнергетике с 1995 по 2015 гг.
12
Возникла ситуация, при которой стоимость электрической энергии для
промышленных потребителей России средней категории выше значения по
Европе на 20–25 %. Это объясняется значительным недостатком инвестиций в
отрасли, при этом эксперты допустили ряд ошибок в прогнозах спроса на электроэнергию. Фактически ДПМ стали инструментом, который возложил на потребителей необходимость окупить все вложенные в проекты деньги.
Как показало время, решение практически не отразилось на уровне генерации. На данный момент обеспеченность генерирующими мощностями
недостаточна, при этом увеличился возраст производственных фондов. Такая ситуация требует привлечения новых инвестиций, которые потребуются
для замены объектов с физическим износом выше нормы. Задержка с созданием новых мощностей, в свою очередь, критически опасна для всей электроэнергетической отрасли.
Рис. 4. Тенденции корректировки инвестиционных программ с 2006 по 2020 гг.
(синий – новая мощность; зеленый – в том числе на тепловых станциях)
Дефицит источников инвестиций, ставший результатом активного применения ДПМ, характернее всего проявляется при изучении рыночной ситуации середины прошлого десятилетия. До 2009 г. конъюнктура рынка финансов
была значительно более благоприятной, а прогнозы инвестиционного климата
были оптимистичней нынешних. Сейчас из-за непростой геополитической ситуации привлечение капитала из-за рубежа затруднено, также требуются средства на реализацию программ в социально-экономической системе.
Помимо дефицита финансов и недостаточно высокого спроса, ключевой проблемой для инвесторов видится слабость нынешней модели рынка
электроэнергетики и регулярные противоречия, фиксируемые в государственных документах, регламентирующих отрасль. Несмотря на ряд проблем, РФ характерна большим запасом энергетических ресурсов, а также
достойной научной базой, что обеспечивает интерес со стороны зарубежных
13
инвесторов. Но вложение денег в отрасль сулит опасность из-за неблагоприятного инвестиционного прогноза и недостаточно ясного стратегического
планирования, подверженного регулярным изменениям.
Проблема в том, что государственные институты малоэффективно регулируют процессы в отрасли электроэнергетики. Задачи распределяются
между различными структурами исполнительной власти, которые не всегда
способны прийти к компромиссу.
Методы, используемые для регулирования коэффициентов к тарифам и
процесса инвестирования, отличаются непоследовательностью и краткосрочностью, регулярными отказами от одних принципов достижения результата с
их заменой на другие. Решения, принимаемые на высших уровнях электроэнергетической отрасли, связаны с социальными задачами и макроэкономикой
гораздо больше, чем того требует ситуация. При таких условиях они не могут
быть эффективными инструментами развития отрасли.
Судьбоносными решениями, которые усложнили инвестирование и
тарифное регулирование потребления электроэнергии, были приняты в 2011
и 2014 гг. Первая ситуация – заморозка розничных тарифов, вторая – снижение инвестиционных программ для государственных компаний и падение
уровня выплат по ДПМ, что прямым образом шло вразрез с договорными
обязательствами. В сумме это снизило привлекательность для инвесторов и
значительно повысило уровень рисков в отрасли.
Государство, будучи собственником и регулятором процессов в электроэнергетике, не стало препятствовать стремительному росту сетевой составляющей. Именно по этой причине возникли отмеченные ранее обстоятельства, когда потребители всерьез начали рассматривать перспективу создания собственных мощностей и переход к распределительной энергетике
с применением альтернативных источников.
В большинстве случаев решения на региональном уровне принимаются властями, руководствующимися интересами исключительно собственных территорий, но результат часто либо имеет едва заметный эффект для
отрасли в глобальном масштабе, либо вовсе вредит ей.
По состоянию на середину 2019 г. есть несколько факторов, тормозящих решение проблем с инвестированием и регулированием уровня цен.
Первый – неточность прогнозов спроса по отдельным регионам РФ и страны
в целом. Данные оказываются то слишком завышенными, то слишком малыми, в результате планы развития формируются неточно. Несоответствующие действительности цифры о требуемой надежности системы и значениях платежей – слишком большой риск для инвесторов.
Второй – пока не сформирован достаточный резерв мощности электроэнергетики, при этом производится слишком медленный вывод из оборота старых мощностей. Все это чревато лишними издержками для потре-
14
бителей и снижает привлекательность отрасли для инвесторов. Третий – сохранение уже упомянутого перекрестного субсидирования, которое фактически чужеродно для рыночной экономики.
После окончания бума ДПМ возникла необходимость как можно быстрее решить возникшие проблемы, но скорость принятия решений со стороны
государства пока недостаточна для выхода из ситуации. При этом компетентные органы периодически пытаются оправдать необходимость возвращения к
ДПМ. В обстановке неопределенности инвесторы вынуждены откладывать
новые проекты, что сокращает до минимума поступление денег в отрасль.
Электроэнергетику нельзя рассматривать обособленно без учета других
отраслей. Большое значение на нее оказывает ситуация, творящаяся в ЖКХ и
топливно-энергетическом комплексе в целом, где основным инструментом
также являются краткосрочные решения, несогласующиеся порой с глобальной
стратегией. В качестве примера можно привести ситуацию с ценами на газ.
Успехи в отрасли во многом зависят от того, насколько грамотно будут
реализованы пункты программы по энергоэффективности. В ней указывалась
цель снижения энергоемкости ВВП на 40 %. Ее достижение придется оставить
на следующее десятилетие, проанализировав текущий опыт и доступные способы уменьшения затрат с помощью альтернативных источников энергии.
1.1. Классификация и область применения тепловых насосов
Тепловой насос – термодинамическая установка, в которой теплота
от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.
Большую перспективу представляет использование тепловых насосов
в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом
цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление
зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для
ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой
энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного
воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло
как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:
тепло земли (тепло грунта);
подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
наружный воздух.
В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла
могут выступать:
удаляемый вентиляционный воздух;
15
канализационные стоки (сточные воды);
промышленные сбросы;
тепло технологических процессов;
бытовые тепловыделения.
Таким образом, существуют большие потенциальные возможности
использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.
Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить
определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени
удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих
странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое
положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного
сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из
наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.
Существуют разные варианты классификации тепловых насосов.
Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:
тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабже-
ния, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении
и/или приготовления горячей санитарной воды;
интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечи-
вающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления
горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют
воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.
Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в
комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному
заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать
непосредственно в существующие водопроводные системы.
В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий – от 5 до 70 кВт.
Какие бывают тепловые насосы?
16
Тепловые насосы подразделяются на три вида:
аэротермальные (воздушные), которые получают тепловую энер-
гию из атмосферы;
геотермальные, добывающие тепло из земли;
акватермальные (водные) – класс оборудования, использующий
тепло водной среды: реки, озера, моря, подземного водоносного слоя.
Аэротермальный насос забирает тепло через воздушный теплообменник – уличный радиатор. Геотермальные насосы получают тепловую энергию из земли через геотермальные поля – это проложенные горизонтально
под поверхностью земли трубы, либо скважины (зонды), куда трубы устанавливается вертикально. Зонды могут также располагаться и под углом, так
как не на всех участках есть возможность пробуриться в глубину. Коллекторы акватермального насоса помещаются в водоём или водяную скважину.
Геотермальные тепловые насосы работают более эффективно благодаря
стабильной температуре грунта круглый год. У аэротермальных насосов тепловой коэффициент (СОР) падает при наружной температуре от –15 °C.
Водные тепловые насосы зависят от качества воды: водоросли, известковый
налёт, коррозия – эти факторы значительно снижают производительность
устройства.
1.2. Принцип работы теплового насоса
Рис. 5. Принцип работы теплового насоса
Работа любого теплового насоса делится на три этапа:
сбор тепла из окружающей среды;
повышение температуры собранного тепла;
передача тепла в систему отопления и ГВС.
17
Отличается только способ получения низкопотенциального тепла из
окружающей среды. У воздушного теплового насоса это осуществляется
следующим образом:
По испарителю воздушного теплонасоса циркулирует хладагент –
фреон. Эта незамерзающая и легкоиспаряющаяся жидкость, которая закипает
при низких температурах. Температура фреона всегда ниже температуры воздуха и, следовательно, под её воздействием хладагент закипает и преобразуется в пар. Это называется теплообмен в температурном дифференциале.
Парообразный фреон поступает в компрессор, где сжимается. Под воздействием высокого давления пар хладагента разогревается: температура сжатых паров фреона может достигать 128 °C. Это тепло поступает в конденсатор.
В конденсаторе горячий фреоновый пар передаёт тепловую энергию
в контур отопления и нагрева воды. При отдаче тепловой энергии пар охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, но сохраняет при этом высокое давление. И также температура хладагента на этом этапе ещё недостаточна для нового цикла поглощения тепла из окружающей среды. Поэтому
после теплообменника фреон проходит через дроссельный вентиль, где понижается давление и падает температура. После этого хладагент идёт
в наружный контур для прохождения повторного цикла.
Рис. 6. Принцип действия теплового насоса
Принцип работы геотермального и акватермального тепловых насосов.
Принцип работы этих тепловых насосов отличается только получением тепла из окружающей среды. Здесь в качестве теплообменника выступает контур из труб, проложенных под землёй или погруженных в воду. По
18
трубам циркулирует не хладагент, как у воздушных насосов, а посредник –
пропиленгликоль, спирт или водно-гликолевая смесь. Именно эти жидкости
аккумулируют полученное из воды или почвы тепло и передают его в испаритель установки.
Теплоноситель поступает в испаритель, нагревает фреон, превращая его
в пар. Парообразный фреон проходит через компрессор, где сжимается
и нагревается. После этого он также попадает в конденсатор, где и передаёт
тепло отоплению и горячему водоснабжению. Цикл завершается, когда хладагент проходит через дроссельный вентиль, где происходит процесс снижения
давления и охлаждения. Охлаждённый фреон снова попадает в испаритель.
Если упрощённо: тепло воздуха, воды или земли требуется лишь для
того, чтобы вскипятить фреон и превратить его в пар. Далее в компрессоре
пар под воздействием давления разогревается до высоких температур, энергия которых идёт на подогрев воды в системе отопления и ГВС. Так низкопотенциальное тепло внешней среды преобразуется в высокие температуры
теплоносителя контура отопления.
Немаловажную роль в производительности теплового насоса играет
отопительная система. Наиболее эффективно оборудование функционирует
с низкотемпературными системами отопления: тёплым водяным полом;
фанкойлами (вентиляторными теплообменниками). Дело в том, что тепловой насос работает максимально продуктивно при температуре от 35–40 °C
на выходе, а это соответствует оптимальной температуре теплоносителя
в системе водяного тёплого пола или воздушного отопления.
Тепловые насосы могут не только нагревать, но и охлаждать – использоваться для кондиционирования. То есть, устройство может забирать тепло
из помещения и выводить его наружу по такому же принципу, но только
в обратном порядке. Холодильник – это тоже тепловой насос. Этот бытовой
прибор не производит холод, он просто удаляет всё тепло из герметичной
теплоизоляционной камеры.
Тепловые насосы применяются для отопления и кондиционирования
промышленных объектов, муниципальных зданий, многоэтажных и частных жилых домов. Данная технология способна заменить все традиционные
способы отопления. Пример тому Швеция, где при помощи тепловых насосов отапливается более 90 % зданий различного назначения. Геотермальные
и аэротермальные насосы широко распространены в Европе, США, Японии.
Для функционирования тепловому насосу требуется только электричество. Этот вид отопления подойдёт для частных домов, расположенных
вдали от газовых магистралей или где подключение к газу неоправданно дорого. Тепловой насос отлично подходит для негазифицированных посёлков,
где не хватает мощности для установки электрического котла. Данный вид
отопления пользуется популярностью у тех, кто не желает жить на «пороховой бочке», то есть подходит людям, опасающимся удушья или взрыва при
19
утечке газа. Тепловой насос можно применить на коммерческих объектах в
качестве энергоэффективного отопления.
В тепловом насосе не сжигается топливо; он не производит вредные выбросы в атмосферу и отходы в окружающую среду. Это пожаро-, взрывобезопасное и экологически чистое устройство. Хладагент циркулирует по закрытому контуру и опасности для природы и человека не представляет.
На что обращать внимание при выборе теплового насоса?
Как мы упоминали, тепловые насосы делятся на три вида: аэротермальные, акватермальные и геотермальные. Первые работают от атмосферного тепла и у них есть два существенных недостатка: температурные перепады и регулярное загрязнение радиатора. При сильных морозах тепловой
коэффициент (СОР) падает до 1, вместо заявленных 3–5. И также постоянное загрязнение уличных радиаторов снижает эффективность аэротермальных насосов. Эти установки больше подходят для умеренного климата
с мягкими зимами.
Акватермальные насосы требовательны к качеству воды и их эффек-
тивность падает, когда контур теплоносителя загрязняется или покрывается
налётом.
1.3. Источники низкопотенциальной тепловой энергии
Тепловой насос предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические
и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны
с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь
благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.
В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых
насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.
1.3.1. Воздух
Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем не менее
тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной
нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:
20
быстрым снижением мощности и производительности с падением
наружной температуры;
относительно большой разностью температур конденсации и испа-
рения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;
энергозатратами на размораживание испарительной батареи
и функционирование соответствующих вентиляторов.
В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя
в диапазоне от 0 до 6°С образуется изморось, что ведет к снижению мощности
и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной
поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается
температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея
и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного
датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.
Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.
Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий коэффициент
производительности СОР сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не
периодическое, может существенно повысить общую эффективность.
Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях – отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует
тепло из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или
теплого воздуха для отопления помещений. В этом случае, однако, требуется
постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже
целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена
возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами «воздух-воздух».
Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших
установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими
значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения рабочего тела,
вследствие этого уменьшается степень совершенства теплонаносной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]