С развитием общества его потребности в электрической, механической и тепловой энергии всё время растут. Но при том потенциале, который необходим для потребления, ни один из этих видов энергии, как правило, в окружающей среде не присутствует. Поэтому преобразовывают энергию других форм, чаще всего химическую, ядерную, низкопотенциальную тепловую или механическую.
     Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что более 70% потребляемой энергии получают за счёт сжигания органического топлива, запасы которого отнюдь не бесконечны. При современном уровне потребления нефти хватит на 25…30 лет, природного газа на 60-70 лет. Такие перспективы истощения наиболее технологичных для энергетики в целом и автономной теплоэнергетики в частности видов топлива уже привели к значительному повышению их стоимости на мировом рынке и определённо обозначили тенденцию к её дальнейшему росту.
     Широкое использование угля, запасов которого может хватить не менее, чем на 150 лет, требует значительных затрат на решение не только чисто технических, но и экологических задач. Поэтому угольная теплоэнергетика, как и атомная, рассматриваются только для крупных централизованных систем энергоснабжения. Такие системы наиболее широко распространены в крупных городах Украины. Одновременная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ имеет бесспорные преимущества с точки зрения использования топлива и резервы для повышения эффективности. Однако значительная протяжённость теплосетей приводит к высоким непроизводительным потерям на нагрев сетевой воды, к её дефициту в отдельных районах города из-за ограниченной пропускной способности существующих сетей. Резко возрастают пережог топлива при выработке электроэнергии в условиях снижения потребления тепловой энергии, масштабы последствий при аварии, не решается задача теплоснабжения отдельных посёлков и коттеджей, суживаются возможности развития территорий.
     Транспортировка электроэнергии таких проблем не представляет. Поэтому в перспективе, учитывая и атомные станции, следует рассчитывать на её использование и для теплоснабжения. Единственным устройством, делающим такое потребление электроэнергии конкурентноспособным, является тепловой насос (ТН) [1], позволяющий получить для отопления и горячего водоснабжения теплоту Q1, значительно превышающую потреблённую электрическую энергию. Их отношение называют отопительным коэффициентом (СОР в зарубежных изданиях), который составляет 2…6 в зависимости от типа ТН, уровня температур отвода и подвода теплоты (Рис. 1).

Рис.1. Влияние температур низкопотенциального источника и конденсатора на коэффициент преобразования энергии.

     Таким образом, при КПД тепловой электростанции 40 % энергия Q1 на отопление может быть почти в 2 раза больше теплоты сгорания топлива, израсходованного на выработку потребляемой электрической энергии, т.е. обеспечивается экономия топлива. По оценкам [2] при замене в Западной Европе 10 % газовых или работающих на нефти котлов тепловыми насосами, экономия первичной энергии составит за год более 109 кВт·ч. Уменьшается и нагрузка на окружающую среду, как по выбросу парниковых газов, так и по тепловому загрязнению.
     Отмеченные преимущества уже давно привлекли внимание к практическому использованию тепловых насосов (ТН). В настоящее время в мире работает свыше 20 миллионов тепловых насосов [3]. Их общая тепловая мощность, по минимальной оценке, составляет 250 ГВт, годовая выработка теплоты 1 млрд. Гкал, что соответствует замещению до 80 млн. т. условного топлива. По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении несмотря на высокую стоимость составит до 75% [1]. При этом эксплуатационные затраты будут вполовину меньше, чем для традиционных ныне отопительных систем.
     Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе теплонасосных установок в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения. Например, при модернизации индивидуального теплового пункта применение тепловых аккумуляторов и теплового насоса с мощностью привода компрессора 6,5 кВт, позволяет обеспечить потребности системы горячего водоснабжения с расчётной пиковой мощностью до 180 кВт. В административных зданиях с интенсивной вентиляцией схемы с тепловыми насосами позволяют экономить до 65% тепла на подогрев приточного воздуха.
     Могут рассматриваться не только традиционные схемы использования тепловой энергии окружающей среды, но и кольцевые системы, включающие ТН, тепло- и холодоснабжающее оборудование, позволяющие перераспределять теплоту между помещениями, использовать избыточную теплоту для горячего водоснабжения. Разработаны предложения по теплонасосным системам с невысокой температурой нагрева, подобрана номенклатура соответствующего оборудования. Значительные перспективы снижения цены теплонасосного оборудования связывают с расширением его производства, в том числе в Китае.

     Для эффективного и оправданного использования ТН необходимо соблюсти следующие условия:
          1. К потребителю была быть подведена достаточная для привода компрессора электрическая мощность.
          2. Обязательным условием эффективного использования ТН является наличие подходящего источника низкопотенциального тепла. Отсутствие вблизи потребителя такого источника может исключить возможность применения ТН. Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, других источников низкопотенциального тепла, например, солнечной энергии, которая может направляться на ускоренное восстановление температурного режима грунта в теплый период года.
          3. Энергетическая эффективность (коэффициент преобразования энергии) и соответственно экономическая эффективность применяемой системы теплонасосного теплоснабжения сильно зависит от характеристик потребителя тепла, в первую очередь от температурного уровня нагреваемого теплоносителя. Очевидно, что применение ТН особенно эффективно в случае использования воздушных и/или напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35–40°С. Для таких систем коэффициент преобразования ТН может быть высоким (Рис.1).
          4. Проектирование и создание теплонасосных систем теплоснабжения требует системного и творческого подхода. В отличие от традиционных систем теплоснабжения, теплонасосная система может работать в переменных (нестационарных) режимах, существенно отклоняющихся от расчетных, что связано как с возможным изменением температуры низкопотенциального источника, так и с переменным характером тепловых нагрузок. При этом важным предметом оптимизации является расчетная (максимальная) мощность ТН. Очевидно, что использовать тепловой насос, рассчитанный на покрытие максимальной тепловой нагрузки, с экономической точки зрения нецелесообразно. Обычно мощность ТН выбирается на уровне 60–70% от максимума нагрузки. В этом случае ТН должен работать в тандеме с резервным источником тепла и/или оснащаться соответствующими тепловыми аккумуляторами.

     На рынке Украины тепловые насосы пока почти не представлены. Однако условия для их освоения уже обозначились. Перспектива применения может быть оценена при рассмотрении конкретных задач энергосбережения в основных областях применения теплонасосных установок: жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курортно-оздоровительных и спортивных комплексах, в сельскохозяйственном производстве. Развитию ТН в Украине, кроме фактора сравнительно больших капитальных затрат на установку, может даже в большей степени мешает непродуманая тарифная политика.
     В существующей тарифной политике на тепловую и электрическую энергию заложено 6 видов логических ошибок, определяющих недостатки сегодняшней тарифной политики применительно к “энергетике крупного города”.

     1. Мы пытаемся одной мерой оценить стоимость двух различных видов энергетической продукции:
          а) мощности во времени предоставляемой тепловой и электрической энергии;
          б) количества за период отпущенной тепловой и электрической энергии.
     2. Отсутствует (неразвита) система классификации видов энергетической продукции по качеству, количеству.
     3. Отсутствуют (неразвит) принцип авансирования затрат на соответствующий вид энергетической продукции.
     4. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии на ТЭЦ принятый на сегодня метод разделения затрат топлива на тепловую и электрическую энергию не отвечает технологии производства энергии на ТЭЦ.
     5. Мы не стимулируем экономичного потребителя за комбинированное потребление тепловой и электрической энергии, получаемой по комбинированному способу на ТЭЦ, а также не принуждаем неэкономичного потребителя к изменению технологии потребления энергии (мы вынуждены принуждать все общество).
     6. Мы не осуществляем анализ и нормирование расходов топлива, закладываемых в тарифы для конкретного типа потребителей тепловой и электрической энергии.Самым главным недостатком существующей тарифной политики является то, что тарифы не отражают технологическую суть производства энергии как по качеству, так и по количеству. Предметом рыночных отношений является не просто количество потребленной энергии, а предоставление мощности в определенное время. На рынок энергетических услуг предоставляется два вида энергетической продукции:
     а) возможность использования заявленной энергетической мощности в определенное время;
    б) количество потребленной энергии. При этом методологически нет никакой принципиальной разницы, на какой вид энергии предоставляются услуги — тепловую или электрическую.

     Для быстрой оценки эффективности ТН по сравнению с газовым котлом, можно использовать следующую зависимость.
    При зафиксированном соотношении цен на газ и электричество существует определённая величина СОР теплового насоса при достижении которой ТН становится дешевле в эксплуатации. Так же эта величина зависит от теплотворной способности газа, на котором работает сравниваемый ГК, но так как эта величина колеблется мало, то для грубых расчётов можно принять, что 1м3=10кВт*ч.
     Три величины: теплотворная способность газа, СОР и ценовое соотношение связаны между собой простым неравенством:

      Г/Э * СОР >= 10

где Г/Э – частное от деления цены м3 газа на цену кВт*ч электроэнергии.
     При выполнении данного неравенства ТН оказывается более экономичным в сравнении с газовым котлом.
     Часто при рассмотрении варианта отопления помещения с помощью ТН пугают или останавливают большие капитальные затраты, которые в 2 а то и 3 раза превышают капитальные затраты на газовый котёл. Но это мнение априорно. Есть несколько факторов, показывающих несущественность этой разницы и преимущества ТН.
     Во-первых, если отапливаемый пункт находится далеко от центральной газовой магистрали, то при покупке ГК наверняка придётся тянуть трубы, что несомненно увеличивает капитальные затраты, с электричеством такой проблемы нет.
     Во-вторых, покупая ГК, многие потом покупают кондиционер, капитальные затраты на который можно прибавить к капитальным затратам на ГК, потому как ТН так же может эксплуатироваться как кондиционер, работая в реверсивном режиме.
     В-третьих, это описанное выще прогнозное увеличение цен на энергоресурсы с достижением западного уровня цен, где цена газа в несколько раз превышает цену электричества, плюс развитие технологий и новые научные достижения наверняка будут способствовать увеличению значения СОР.

 

Литература
     1. Калнинь И.М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра // Холодильная техника. -2000. -№10.
     2. IEA Heat Pump Centre Newsletter. Vol. 18 – No. 4/2000 - p.3
     3. Агеева Г.Н., Лантух Н.Н., Щербатый В.С. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка как вариант технического решения теплоснабжения “энергоэффективной” усадьбы//С.О.К. – 2005. -.№12.