Главная  /  Посетителям  /  Инновации на выставке

Ключ к скрытым энергетическим резервам ЖКХ - несколько слов об энергосберегающих технологиях

Авторы: к.т.н., генеральный директор ПК «Научно-производственной фирмы «ЭКИП» Савицкий А.И., к.т.н., доцент МЭИ Лазарев Л.Я. Важнейшим приоритетом Энергетической стратегии России на период до 2020 года утвержденной Правительством РФ является снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рачительного их потребления и применения энергосберегающих технологий и оборудования. За счет реализации имеющегося потенциала энергосбережения в экономике предусмотрено снизить производство топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) до 220-250 млн. тонн условного топлива. Проблеме энергосбережения и энергоэффективности экономики страны было посвящено выступление Президента РФ Дмитрия Медведева на выездном заседании Президиума Государственного совета РФ 2 июля 2009 года в г. Архангельске.

Мы никогда не экономили на энергии, - говорит он. Мы считали себя крутыми и энергетически самодостаточными. К сожалению, мы продолжаем топить нефтью в прямом и переносном смысле этого слова, обогревая нашу планету. Но надо заниматься альтернативными источниками энергии. Потому что рано или поздно в своих сегментах они заместят традиционные углеводороды, — подчеркнул российский президент. Также на Госсовете с конкретными предложениями по энергосбережению, выступили вице-премьер Правительства РФ Игорь Сечин и др. На заседании Госсовета была поставлена задача к 2020 году на 40% снизить энергоёмкость Российского ВВП.
Одним из направлений решения проблемы, является внедрение энергосберегающих технологий утилизации тепла низкопотенциальных источников энергии с применением тепловых насосов (ТН) на предприятиях атомной отрасли, объединенных генерирующих компаниях (ОГК) на металлургических и горнодобывающих предприятиях, в городах и поселках на канализационных стоках и т.д.

Тепловые насосы, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, утилизируют низкопотенциальную теплоту различных источников естественных, (речек, водоемов), промышленных (градирен атомных и тепловых электростанций), бытовых (канализационных стоков) и т.д., генерируя теплоту высокого потенциала, затрачивая при этом в 1,2 - 2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. В России на теплоснабжении расходуется около 40% от общего объема сжигаемого топлива. Исходя из этих цифр видно, какой существует огромный потенциал сбережения первичных энергоресурсов в стране.
Суть работы (ТН) можно пояснить на примере бытового домашнего холодильника.

Электрическая энергия (=0,15 —: 0.20 кВт час), отбираемая из электрической сети, тратится на привод компрессора, который поддерживает непрерывное движение по замкнутому контуру холодильного агента. Жидкий фреон при температуре -5 —: -20 С, проходя по трубкам холодильной камеры (испарителя) в результате тепломассообмена с продуктами питания нагревается до температуры кипения и превращается в пар. Далее пары фреона сжимаются в компрессоре (до 15 —: 25 атм.), в результате чего они нагреваются до 40 —: 55 С, и поступают в охладитель (конденсатор), расположенный на задней стенке холодильника. В охладителе пары фреона отдают тепло комнатному воздуху, а сами охлаждаются до 25—:35С и, проходя через расширительное устройство (дроссель) понимают своё давление и температуру, в результате чего конденсируются и, замыкая круг, жидкий фреон поступает в испаритель холодильной камеры.

Итак: от охладителя в окружающий воздух поступает тепло, отобранное от продуктов в холодильной камере плюс тепло, эквивалентное взятой из электрической сети энергии. Рассмотрим теперь случай, когда мы, вынесем испаритель холодильника из комнаты на улицу и поместим его в воду или грунт, в этом случае он будет забирать большое количество низкопотенциального тепла с улицы и перемещать его с помощью компрессора в комнату, но уже с температурой плюс 40 —:55 'С.

Так же работает и тепловой насос. Отбирая от низкопотенциальных источников тепло, которое идёт на испарение теплоносителя, сжимая и нагревая пар теплоносителя в компрессоре,на привод которого затрачивается внешняя электрическая (или механическая) энергия, тепловой насос отдаёт эту сумму тепла повышенной температуры (90 ÷ 100 С) сетевой воде, идущей на теплоснабжение. Причём количество отданного тепла в 3-5 раз превосходит величину затраченной на привод компрессора энергии!

Реально к 0,2КВт/час электрической энергии выделяемой в виде тепла компрессором, добавятся еще от 0,6КВт/час до 1КВт/час (в зависимости от t° воды или грунта) тепла окружающей среды.
Практически для отопления небольшого загородного дома площадью = 120м2 необходимо 10-12 кВт/час тепловой энергии. Выбираем тепловой насос с электрической мощностью = 3кВт, остальное необходимое тепло (7- 9 кВт), он возьмет из окружающей среды.

В таком режиме в мире работают более 20 млн. тепловых насосов.

Наибольшее распространение ТН получили в северных странах. В Стокгольме = 50% коммунального тепла получают с помощью ТН большой единичной мощности = 20-25 МВт и более.
Фирма «ЭКИП» с партнерами предложила вместо распространенного рабочего вещества фреона для тепловых насосов, использовать углекислый газ и следует отметить некоторые особенности углекислого газа, которые можно считать его преимуществами, как рабочего вещества, для тепловых насосов.
- высокая плотность пара и высокая удельная объемная теплопроизводительность, обуславливают малую требуемую объемную производительность и размеры компрессора;

- высокий уровень давления и высокая плотность газообразного углекислого газа, по сравнению с фреонами, позволяет иметь более высокие массовые скорости потока, что позволяет достичь высоких коэффициентов теплоотдачи и сократить массу и габариты теплообменников.

Уникальные термодинамические и теплофизические свойства углекислого газа позволяют создавать тепловые насосы мощностью 50 МВт и более, энергетическая эффективность которых на 20-30% выше, а металлоемкость на 30 — 40 % ниже, чем у традиционных насосов.

Углекислый газ является природным, экологически безопасным, рабочим веществом, он не горюч, не токсичен, не разрушает потенциал глобального потепления. Кроме того, он доступен в любых количествах и дешев.
В рамках федеральной целевой научно-технической программы в период 2002-2006 г. Роснаука, НПФ «ЭКИП», МГУИЭ был выполнен комплекс НИОКР по созданию ТН на углекислом газе малой мощностью до 20 кВт, проведены натурные испытания ТН по утилизации части сбросного тепла градирни ТЭЦ МЭИ. Был получен коэффициент µ (отношение полученной тепловой энергии к затраченной механической энергии) µ = 4 — 4,5. В настоящее время на рассмотрение конкурсной комиссии Роснауки находится комплексный проект «Изготовление и испытание опытного образца теплового насоса на углекислом газе единичной мощностью 23 МВт». Проект поддержка ОАО «Концерн Энергоатом», для которого проект является пилотным по внедрению энергосберегающих технологий на базе ТН на углекислом газе, для осуществления крупномасштабной теплофикации удаленных потребителей от действующих и создаваемых АЭС. Утилизация тепла градирен только от двух строящихся энергоблоков Ленинградской АЭС может составить = до 5000 МВт что, при наличии избыточной электрической мощности в регионе, которую можно использовать для привода компрессоров тепловых насосов, закроет многие проблемы теплоснабжения Санкт-Петербурга и прилегающих к нему со стороны АЭС населенных пунктов и промышленных объектов. В этом случае за год будет выработано = 30млн. МВт тепла, что соответствует теплоте сгорания

3,2млрд.нм в год. При продажной стоимости 250$ за 1000нм3, экономия составит 800 млн. $ в год (Количество газа рассчитано без учета потерь в котельных).

Стоимость 1КВт установленной мощности теплового насоса ≈ 300$. С учетом стоимости основного оборудования, прокладки теплотрасс и при цене отпускаемого тепла на 30 — 40% ниже существующей, срок окупаемости проекта теплофикации Санкт Петербурга и его окрестностей от АЭС может составить ≈ 5 — 7лет.

Теплофикация гражданских и промышленных объектов использующих ТН для утилизации сбросного тепла АЭС гармонично вписывается в стратегию развития атомной энергетики России до 2030 года, одобренной Правительством РФ, предусматривающей к 2020 году выработку тепла атомными энергетиками ≈ 35млн. МВт в год с годовым замещением газа до 24 млрд.м, к 2030 году замещение должно составить 65 млрд.м в год. Без внедрения инновационных энергосберегающих технологий, к коим относятся тепловые насосы, осуществить выполнение стратегии развития атомной энергетики в области производства тепловой энергии будет проблематично, если учесть, что на настоящее время годовая выработка тепловой энергии всех АЭС не достигла и 10 % от запланированной на 2020 год.

Одновременно могут быть рассмотрены вопросы водоснабжения при однотрубной схеме теплофикации. Предварительные расчеты показали, что потери температуры у современных труб большего диаметра = 1,2÷1,4 м с пенополиуретановой изоляцией при температуре воды ≈90° и с расходом 8-10 м3/сек на протяжении 10км, составляет менее 1°С, что вполне отвечает целесообразности транспортировки тепла на большие расстояния ≈100 км и более.

Учитывая особенность централизованного теплоснабжения городов, для утилизации сбросного тепла крупных ТЭЦ, нами был принят мощностной ряд теплонаносных установок (ТНУ на углекислом газе) 20÷25МВт, 45 — 50МВт, 90÷100 МВт Разработанная фирмой «ЭКИП» с партнерами из МГУИЭ, Казанского компрессорного завода, ЗиО г.Подольск и другими, конструкция ТНУ на углекислом газе на 23 МВт по своим массогабаритными и энергетическим параметрам существенно превосходит зарубежные аналоги.

Учитывая огромный объем и высокую температуру сточных вод Москвы мощные ТНУ на углекислом газе могут найти самое широкое распространение для тепло-горячего водоснабжения вводимых новых объектов и замены старых котельных г. Москвы и Московской области. Для примера понизив температуру сточных вод Курьяновской станции диарации на 5°С можно получить с помощью тепловых насосов ≈ 700МВт тепла с температурой 90÷100°С для Московских потребителей. Тогда как, имея под ногами огромное количество неиспользуемого тепла, Москвичи одни из самых расточительных потребителей тепла на планете. Как говорил мэр г.Москвы Ю. М. Лужков, на одного Москвича расходуются 4т. условного топлива в год, что намного больше, чем в Канаде, Швеции, Норвегии и др. развитых странах. Рачительное использование сточных вод г.Москвы и др. крупных городов страны, позволит снизить стоимость ГКал до 40%.

Как отмечает ряд аналитиков теплоэнергетики при значительной стоимости топлива в нашей стране в будущем предстоит переходить на энергоэффективный график теплофикационной подачи воды 90÷40°С, решая при этом проблему увеличения поверхности нагрева внутриквартирных обогревательных устройств в 1,5 — 2 раза и переходом на напольное отопление.

Существует колоссальная проблема теплоизолированности зданий и сооружений. Реалии таковы, что сегодня в России удельный расход тепловой энергии на обогрев 1м2 жилой площади в 2,6 раз выше, чем у наших северных соседей Швеции и Финляндии.

Учитывая ряд особенностей присущих России, открываются реальные возможности для крупномасштабного внедрения мощных теплонасосных установок на углекислом газе, исходя из предпосылок:

1. Россия является преимущественно северной страной, где цена тепловой
энергии достаточно высока.
2. Россия является страной с преимущественным центральным отоплением,
что способствует широкомасштабному внедрению мощных ТНУ.
3. Состояние и уровень теплогенерирующего оборудования и тепловых систем изношены и выработали свой ресурс на 50 — 70%.
4. В кризисное время, реализация широкомасштабных, инфраструктурных,
энергоэффективных проектов стимулирует производство отечественного энергетического оборудования, черной металлургии (трубы) и химической промышленности (трубы, изоляции) и т.д.
5. Утилизация низкопотенциального тепла с помощью ТН высвободит десятки
млрд.м природного газа, даст возможность использовать его с большей эффективностью.
6. Внедрение ТН в ЖКХ позволит решить на только теплофикационные задачи, но сделать более устойчивое водоснабжение населения.
7. Использование ТН значительно улучшит экологическую обстановку в городах и поселках.
8. Квалификация ученых и производственные возможности Российских предприятий, позволяет осуществить прорыв в создании уникального теплогенерирующего оборудования и стать лидером мирового технологического развития в данном направлении.

Ключевые слова для темы: энергосбережение, энергоэффективность, энергосберегающие технологии.