geo-comfort@yandex.ru
Как работает тепловой насос
В Беларуси разрабатывается программа строительства энергоэффективного жилья. Однако уже сегодня в стране имеется опыт строительства энергоэффективных жилых домов. Один из важных элементов подобных сооружений — тепловой насос. О пользе, принципах и опыте применения тепловых насосов, а также перспективах их использования наша белорусская коллега
побеседовала с человеком, который стоял у истоков развития технологии энергоэффективного строительства в Беларуси — Леонидом ДАНИЛЕВСКИМ, к.ф.-м.н., первым заместителем директора ГП «Институт НИПТИС имени С. С. Атаева», а также автором журнала С.О.К.
:: Леонид Николаевич, для начала хотелось бы поинтересоваться, в чем принцип действия тепловых насосов и чем выгодно использование данных отопительных агрегатов в энергоэффективных зданиях?
Л.Д Тепловой насос — это не сама цель, а средство получения энергии для зданий. Он может быть использован как источник энергии в любом доме, энергоэффективном или неэнергоэффективном. Основной вопрос в том, чем тепловой насос отличается от других источников энергии. Вообще, существует несколько типов тепловых насосов. В частности, наиболее широко используются в Европе и в Беларуси электрокомпрессионные тепловые насосы. Принцип их действия обратен принципу работы холодильника. Так, во включённом состоянии этот бытовой прибор забирает тепло из холодильной камеры (изнутри), где температура гораздо более низкая, чем у наружного воздуха, и выбрасывает его наружу. На тыльной стороне холодильника есть теплообменник — решётка, которая, если её потрогать, будет едва ли не горячей. Это происходит из-за того, что тепло, которое было взято изнутри, отдано более тёплому телу. Так и выходит, что внутри холодильника температура -20 °C, но, тем не менее, есть возможность забрать оттуда ещё немного тепла и понизить температуру до -22 °C. Если холодильник не подключён к электросети, температура внутри него становится такой же, как и снаружи. После включения за относительно непродолжительный период времени температура внутреннего воздуха в аппарате с +20 °С опустится до -20 °C.
Похожую работу, только в обратном направлении («снаружи — вовнутрь»), проделывает тепловой насос. Он находит низкопотенциальный источник энергии, температура которого может быть +3, +5, +7 или +20 °С, делает этот источник ещё более холодным, забирая от него тепло и передавая его на отопление здания.
В итоге этим теплом, которое было отобрано из воздуха, канализации, грунта, породы и т.д., насос может повысить температуру теплоносителя до +50, +60 и даже до +70 °С.
Использование тепловых насосов не имеет смысла вблизи ТЭЦ, но, если к жилому дому или общественному зданию или сооружению не подведены тепловые сети, нужно рассматривать оба варианта (прокладку теплосетей и отапливание от ТЭЦ или использование теплового насоса) и взвешивать все «за» и «против»
Что нужно, чтобы тепловой насос работал продуктивно?
Л.Д .: Основной элемент теплового насоса — испаритель, где находится жидкость — фреон (так же, как и в холодильнике). Фреон испаряется, полученный в результате газ расширяется, тем самым резко охлаждаясь. Далее газ фреон нагревается теплом, поступающим из окружающей среды. Источник теплоты может быть разным: грунт, водоём, колодец, канализационная система или просто окружающий воздух. От источника газ поступает в компрессор, где сжимается, что приводит к повышению его температуры. Теплота, выделяющаяся в компрессоре, передаётся в систему отопления, причём теплоноситель при этом может обладать довольно высокой температурой.
Однако данный принцип забора тепла интересен тем, что для того, чтобы от более холодного тела забрать тепло и передать его более тёплому телу (от источника с температурой, допустим, +6 °С — к месту, где температура +65 °С), надо совершить работу. То есть, необходима энергия, при помощи которой это осуществится. Тепловой насос работает таким образом, что на один киловатт-час затраченной электрической энергии мы можем получить из окружающей среды от двух до пяти киловатт-час тепловой энергии. Обязательно подчеркну, что 5 кВт·ч — это потолок, в среднем выходит 3-4 кВт·ч тепловой энергии с 1 кВт·ч электрической. Но даже такое соотношение выгодно, потому что при обогреве обычными теплоэлектронагревателями из одного киловатт-часа электрической энергии мы получаем немного меньше киловатт-часа энергии тепловой.
Хочу привести ещё один пример. Для того чтобы получить киловатт-час электрической энергии и доставить её потребителю, на современных электростанциях нужно затратить где-то 2,5 кВт·ч тепловой энергии, то есть мы должны сжечь 2,5 кг топлива, чтобы получить условный «килограмм электрического топлива». А если мы используем тот же «1 кг электрического топлива» при помощи теплового насоса, мы условно получим «5 кг тепловой энергии».
В итоге получается очень выгодное преобразование электрической энергии в тепловую.
Почему повсемесно не используется такой выгодный способ преобразования энергии?
Л.Д.: Дело в том, что у нас в стране электрическая энергия вырабатывается на теплоэнергоцентралях (ТЭЦ). При работе ТЭЦ выработка электрической энергии всегда сопряжена с возникновением попутного тепла. Поскольку у электростанции имеется коэффициент полезного действия (КПД), далеко не 100 % тепловой энергии преобразуется в электрическую. Часть её превращается в теплоту, которая может использоваться для отопления жилого фонда, общественных зданий и сооружений. В противном случае тепло, выработанное на станции, просто выбрасывается в окружающую среду. У нас в стране есть электростанции, вблизи которых не расположены населённые пункты. Им некуда сбрасывать выработанное тепло. Поэтому получается, что больше энергии тратится на выработку электричества за счёт того, что тепло просто выбрасывают.
Яркий пример — Новолукомльская ГРЭС. Тепло, выработанное на гидроэлектростанции, уходит на обогрев озера просто потому, что его нужно куда-то деть, иначе станция перегреется. Цикл работы электростанции таков: первоначально выработанный пар крутит турбину, в процессе появляется электрическая энергия, параллельно с этим вырабатывается тепловая энергия в виде пара, параметры которого уже не соответствуют необходимым для пуска в оборот. Чтобы снова пустить пар по циклу, его нужно охладить и превратить в высокотемпературный пар, что не совсем целесообразно. Проще выработанное тепло не применять по второму кругу. В случае с Новолукомльской ГРЭС и подобными ей электростанциями тепло никуда не девается, а просто выбрасывается. Но таких станций у нас не очень много.
Получается, ято у нас в стране есть отличный вариант получения дешевого попутного тепла?
Л.Д.: Да, так выходит, что большая часть потребителей может быть нагрета от ТЭЦ. И, естественно, если в регионе есть теплоэнергоцентраль, от которой идёт линия централизованного отопления (тепловые сети), использование тепловых насосов в районе этих теплосетей бессмысленно, потому что есть «дармовое» тепло, которое не просто можно, а нужно использовать для отопления.
В каком случае будет оправдвно применение тепловых насосов?
Л.Д.: Как я уже сказал, использование тепловых насосов не имеет смысла вблизи ТЭЦ. Но, если к жилому дому или общественному зданию или сооружению не подведены тепловые сети, нужно рассматривать оба варианта (прокладку теплосетей и отапливание от ТЭЦ или использование теплового насоса) и взвешивать все «за» и «против». На прокладку теплотрассы обычно затрачиваются значительные капитальные ресурсы, которые, скорее всего, окажутся выше затрат на прокладку линии электропередач (ЛЭП) и подключение теплового насоса. Нужно смотреть, где выгодно, а где невыгодно использовать ту или иную тепловую энергию.
Какой тип отопления в Белоруссии сейчас можно считать наиболее распространенным?
Л.Д.: На данный момент для отопления зданий средней и повышенной этажности у нас в стране чаще всего используется тепло от теплоэнергоцентралей. Сейчас это наиболее популярный и наиболее приемлемый источник отопления. У нас также осуществляется отопление от котельных, которые просто сжигают топливо, чтобы получить тепло. И это, я считаю, не самый лучший вариант.
Поэтому в регионах, где сейчас действуют котельные, целесообразно их постепенно выводить из работы, прокладывать теплосети и от ТЭЦ подводить тепло или же использовать для отопления тепловые насосы. В стране также до сих пор есть городки и посёлки, в которых ничего пока нет — ни ТЭЦ, ни котельной. Есть смысл использовать в этих населённых пунктах тепловые насосы.
ИНФО
Проект ПРООН/ГЭФ «Повышение энергетической эффективности жилых зданий в Республике Беларусь (2012-2016 годы)» рассчитан ускорить движение в направлении повышения энергетической эффективности в разных секторах экономики страны. Он реализуется при участии Программы развития ООН и Глобального экологического фонда (ГЭФ) в рамках Стратегии в области изменения климата. Срок реализации проекта — четыре года; цель проекта — снижение потребления энергии при строительстве и эксплуатации жилых зданий, сокращение выбросов парниковых газов; бюджет проекта — $ 4,9 млн; основной источник финансирования — ГЭФ ($ 4,5 млн), параллельное финансирование — ПРООН ($ 0,4 млн); национальное исполняющее агентство — Департамент по энергоэффективности Госстандарта РБ; основные партнёры проекта — Министерство архитектуры и строительства РБ, Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды РБ, ОАО «МАПИД», УП «Институт Гродногражданпроект».
В рамках данного проекта планируется реализация пилотных проектов, которые представят энерго- и затратосберегающий потенциал мер энергосбережения на примере жилых многоквартирных зданий в Минске, Гродно и Могилёве. А именно: типового крупнопанельного девятиэтажного четырёхподъездного дома на 140 квартир общей площадью 10 тыс. м2 (застройщик — ОАО «МАПИД»), 20-этажного одноподъездного жилого здания каркасного типа на 160 квартир общей площадью 12 тыс. м2 (застройщик — Минприроды, РУП «Белгеология») и десятиэтажного трёхподъездного здания с кирпичными несущими и ячеистобетонными наружными стенами на 120 квартир общей площадью более 9,8 тыс. м2 (застройщик — УП «Институт Гродногражданпроект»).
Ожидается, что применяемые на пилотных объектах меры позволят достичь удельной тепловой характеристики не более 30 кВт·ч/м2 в год, а расход тепла на горячее водоснабжение будет сокращён не менее чем на 40 %. Базовый проект всех зданий основан на действующих нормах строительства и предусматривает подключение к централизованным системам отопления и ГВС, установку в каждой квартире батарей, термостатических клапанов и счётчиков тепла.
:: Насколько вообще в стране распространено отопление посредством тепловых насосов?
Л.Д.: У нас сложилась интересная ситуация. В Беларуси имеется опыт использования тепловых насосов, однако для отопления жилого фонда (многоэтажных зданий), насколько мне известно, они не применялись. Некоторые владельцы индивидуальных домов используют тепловые насосы, чтобы не прокладывать теплосети или газопровод. Но, повторюсь, про их использование в многоэтажных зданиях я пока не слышал.
Сейчас при поддержке ПРООН/ГЭФ будет реализован масштабный проект в рамках программы «Повышение энергетической эффективности жилых зданий в Республике Беларусь (2012-2016 годы)», которым предполагается использование на трёх объектах тепловых насосов для отопления зданий. Но для чего это будет сделано? Для того чтобы получить опыт использования тепловых насосов, наработать схемы, посмотреть, каковы они в эксплуатации. Уже после получения положительных результатов этот опыт мы сможем распространить на другие здания, где целесообразно применение тепловых насосов.
:: Значит ли это, что пока в Беларуси опыт использования тепловых насосов есть только в сфере индивидуального строительства?
Л.Д.: Это не совсем так. Да, тепловые насосы используются в частном секторе, но не только. Отопление при помощи тепловых насосов, насколько мне известно, уже производится на очистных сооружениях, в метрополитене. В качестве примера можно привести Минский метрополитен. Из метро уходит много тепла: люди дышат, воздух нагревается, уходит в вентиляцию. Насколько мне известно, такой тепловой насос есть на станции метро «Тракторный завод». Образующееся на станции тепло забирается и уходит на отопление сооружения метрополитена. Это один из примеров. Но для отопления и горячего водоснабжения жилых зданий в больших масштабах (многоэтажные жилые здания по десять этажей, 160 квартир) тепловые насосы пока не используются.
Среди плюсов использования тепловых насосов: высокий коэффициент преобразования энергии, удобство благодаря тому, что не нужно проводить тепловую сеть к дому, экологическая безопасность и значительная экономия за счёт возврата энергии «в оборот»
:: Расскажите подробнее о проекте ПРООН/ГЭФ: каким образом в домах (в Гродно, Минске и Могилёве) будет обустроена система отопления?
Л.Д.: В наибольшей степени готовности сейчас проект, который реализуется в Гродно. Это довольно интересный проект — многоэтажное здание индивидуального типа, не серийное. Стены его будут выполнены из ячеистого бетона, систему вентиляции установят принудительную с утилизацией вентиляционных выбросов. Решение вентиляции с рекуперацией тепла было отработано в Беларуси на многих зданиях и уже новинкой не является. Данная система является необходимым атрибутом энергоэффективного дома, потому что в обычных зданиях с вентиляцией уходит много тепловой энергии. Например, у стандартного дома сегодня с вентиляцией уходит до 60 % теплоты, которая в нём потребляется. Это очень много. А рекуперация теплоты позволяет из этих 60 %, по крайней мере, 60-70 % вернуть назад. Таким образом, одним скачком мы значительно снижаем потребление энергии в здании.
В «неэнергоэффективных» многоэтажных зданиях большое количество энергии тратится на горячее водоснабжение (больше, чем на отопление). Снижение энергопотребления на нужды ГВС также является одним из важных элементов энергоэффективного жилфонда. Поэтому одной из целей уже упомянутого проекта стала минимизация потребления тепловой энергии и на отопление, и на горячее водоснабжение. И, если в современном здании на горячее водоснабжение и отопление расходуется где-то 110-120 кВт/м2 за отопительный сезон, то энергоэффективные здания будут потреблять на эти нужды около 60 кВт/м2. Это очень хорошая цифра.
:: И таких результатов запланировано добиться при использовании тепловых насосов?
Л.Д.: Да, основным источником для энергоснабжения здания станет тепловой насос, причём энергия будет браться из канализационных стоков (это стоки из ванной, туалета, кухни).
Например, в Гродно рядом с домом расположен коллектор, куда направляются стоки с целого микрорайона. Средняя температура этих стоков около +17 °C. Оттуда при помощи теплового насоса будет браться энергия на отопление здания. Вторым элементом для энергоснабжения гродненского энергоэффективного здания станет тепловой насос, который будет работать на фундаментных сваях (в сваях заложат трубки для циркуляции незамерзающей жидкости, которая будет брать тепло у грунта и отдавать его дому).
Третий элемент энергетически эффективного здания — утилизация теплоты сточных вод в самом жилом доме. То есть из ванных комнат стоки будут идти на теплообменники, посредством которых тепловая энергия будет возвращаться «в оборот». В итоге вода по водопроводу пойдёт предварительно нагретой перед тем, как уйти на дальнейший подогрев. Таким образом предполагается на 40 % снизить потребление энергии на приготовление горячей воды.
:: Для работы всего перечисленного вами оборудования необходима электрическая энергия. Откуда её будут брать? Не станет ли кажущаяся большой выгода незначительной?
Л.Д.: В проекты энергоэффективных домов в Гродно, Минске и Могилёве заложены такие элементы, как фотоэлектрические батареи. Они будут компенсировать более 50 % электричества, которое нужно для работы всех вышеперечисленных опций.
Хочется особо подчеркнуть, что сегодня тарифная политика в нашей стране несколько неправильная. Существуют большие перекосы между стоимостью для населения тепловой и электрической энергии. Если для промпредприятий электрическая энергия в 2,5 раза дороже тепловой, то для населения электрическая энергия в десять раз дороже. Данное расхождение делает невыгодным для населения использование тепловых насосов.
В подтверждение приведу некоторые простые расчёты. Тепловой насос, в среднем потребляя одну единицу электрической энергии, вырабатывает 3,5-4,0 единицы тепловой. Но стоимость электрической энергии в десять раз дороже стоимости тепловой энергии. Поэтому для покрытия расходов нужно, чтобы на единицу электрической энергии было выработано десять единиц тепловой, что физически невозможно. Эта проблема стоит наиболее остро.
Белорусская тарифная политика в области ЖКХ такова, что гражданин компенсирует государству 20 % стоимости тепловой энергии и 60 % стоимости электрической. Именно эти перекосы нужно было бы каким-то образом изменить, чтобы соотношение тарифов на электричество и тепло было в пределах 2,5 раз, как для промпредприятий.
В новых энергетически эффективных домах 50 % электрической энергии мы получаем при помощи фотоэлектрических батарей. И для населения это оказывается выгодно.
:: Хотелось бы, чтобы вы уточнили, где именно в Минске, Гродно и Могилёве будут построены пилотные проекты по программе ПРООН/ГЭФ «Повышение энергетической эффективности жилых зданий в Республике Беларусь»?
Л.Д.: Энергоэффективный дом в Минске построят в микрорайоне Лошица, в Гродно здание возведут на улице Дзержинского, а могилёвский энергоэффективный дом будет построен в микрорайоне «Спутник».
:: Вы сказали, что тепловые насосы работают по принципу, обратному принципу действия холодильника. В их работе используется фреон. Насколько он безвреден для окружающей среды и здоровья человека в случае поломок?
Л.Д.: Для этих целей будет выбрана жидкость, которая не способна нанести вред здоровью человека. Да и сам фреон, когда обращается в трубах, безвреден. Также, учитывая тот факт, что тепло будет забираться из канализационных стоков, в случае прорыва трубы и при попадании фреона или другой незамерзающей жидкости в канализацию ничего плохого не произойдёт. В систему теплоснабжения эта жидкость попасть не может, так как цикл работы теплового насоса состоит из нескольких стадий, и каждая последующая стадия «перестраховывает» предыдущую. Здесь исключено попадание каких-то вредных для человека веществ в систему теплоснабжения.
:: Поскольку энергоэффективные дома в Гродно, Минске и Могилёве — это пробные проекты, будут ли в случае их удачной реализации и далее применяться на практике такие проекты? Л.Д.: Всё зависит не только от удачной реализации самих проектов, но и от корректировки тарифной политики. Целесообразно, чтобы соотношение стоимости электрической и тепловой энергии стало справедливым. Я не говорю об искусственном повышении или понижении тарифов — цена должна соответствовать себестоимости. Я участвовал в рабочей группе по повышению эффективности ЖКХ в РБ. В ходе её работы одним из выводов стало обязательное соотношение стоимости тарифов, приближённой к себестоимости.
Второе дело — высокая стоимость самих тепловых насосов. Но если пойдёт массовое их использование, и будет налажено производство, появится конкурентная среда, и тогда можно будет говорить о снижении стоимости.
:: Какие плюсы и минусы от применения тепловых насосов в Беларуси (для наших климатических условий) вы могли бы назвать?
Л.Д.: Плюсы — весьма высокий коэффициент преобразования энергии, удобство благодаря тому, что не нужно проводить тепловую сеть к дому, достаточно провести электричество и поставить трансформаторную подстанцию. Сейчас почти вся энергия канализационных стоков уходит «в никуда», а при помощи тепловых насосов мы её забираем, преобразуем и возвращаем жителям. Или, если мы делаем насос скважинного типа, мы берём энергию из грунта. В летнее время это тепло накапливается за счёт солнечной энергии. Каких-то явных минусов я пока что не вижу, ни экономических, ни экологических. Главное — разумно всё использовать, не вымораживать почву, то есть отбирать тепло взвешенно. Подобный опыт уже существует на Западе, и я полагаю, что мы его сможем применить в условиях Беларуси.
Источник: