Авторы: Немчин О.Ф., Захаренко О.О., Соломаха А.С.
Источник: Всеукраинский научно-технический журнал Энергосбережение
№ 8 август 2012.
На сьогоднішній день в Україні проблема обігріву жилих і адміністративних будівель та їх гаряче водопостачання є однією з найгостріших соціальних проблем. Ні для кого не є секретом, що існуюча система теплопостачання України вже тривалий час не відповідає мінімальним технічним вимогам, в результаті чого держава втрачає значні кошти. Як видно, дана проблема на сьогодні є дуже актуальною, особливо у зв'язку з різким подорожчанням паливних ресурсів. Для України розробка і впровадження оптимального варіанту теплопостачання є реальною економією значних коштів.
Більшість електростанцій – це теплові станції, у яких коефіцієнт корисної дії перетворення теплової енергії в електричну рідко становить більше 40%. І, здавалося б, перетворювати високоякісну електричну енергію знову в теплову нерозумно.
В той же час на користь використан¬ня для опалення та ГВП електричної енергії говорять наступні факти:
На даному етапі розвитку енергетики України особливий інтерес представляє акумуляційний електрообігрів. Суть теплоакумуляційного електрообігріву полягає у тому, що електрична енергія споживається головним чином в інтервалі нічного (з 23:00 по 6:00) провалу добового циклу навантажень енергосистеми України, під час якого діють пільгові тарифи на електроенергію (Постанова НКРЕ №1262 від 04.11.2009 р.). Накопичена теплова енергія рівномірно витрачається впродовж дня, коли тарифи на електроенергію значно вищі.
Внаслідок специфіки електроенергетики України (близько 50% виробництва електроенергії на АЕС) і в умовах гострого дефіциту маневрових потужностей теплоакумуляційне електроопалення з інноваційної та інвестиційної точок зору є дуже привабливим засобом регулювання електроенергобалансу України, особливо якщо порівню¬вати з будівництвом ГАЕС або вводом у дію нових маневрових потужностей на вуглеводневому паливі, питома вартість яких сягає 1,3-1,8 тис. у.о./кВт і більше, тоді як вартість одного кВт встановленої потужності теплоакумуляційної установки на порядок менше, тобто 150...200 у.о./кВт.
За оцінками Інституту загальної енергетики НАН України, потенціал нічного провалу графіка навантажень, який можливо використовувати для теплоакумуляційного електрообігріву, сягає 1,5 ГВт.
Таким чином, за рахунок застосування акумуляційного електрообігріву в системах теплопостачання можна одночасно вирішити декілька актуальних питань національної економіки:
Необхідно також відзначити, що в найближчі десятиліття передбачаються корінні зміни в енергетиці. До них, перш за все, відноситься впровадження технологій отримання енергії, що не пов’язані зі спалюванням вуглеводнів, зростання долі вугілля, АЕС, поновлюваних джерел енергії, використання побутових відходів в якості сировини та ін. Вказані варіанти розвитку енергетики при наявності процесів, що пов’язані з акумуляцією енергії (наприклад, при виробництві водню чи при зарядці електроакумуляторів), дають хороші перспективи для вирівнювання графіка навантаження системи енергопостачання шляхом енерготехнологічного комбінування за участі систем електротеплоакумуляційного теплопостачання.
ДП "ДНДІ ІТЕЕ" було виконано типовий проект та здійснено заміну традиційної централізованої системи теплопостачання на електротеплоакумуляційну в одній з загальноосвітніх шкіл Київської області. Школа представляє собою типову триповерхову будівлю із загальною площею опалення 9000 м2, і реконструкцію її системи теплопостачання можна розглядати як таку, що характерна для будівель подібного типу.
Необхідно відзначити, що поки що не існує єдиного (універсального) проекту електроопалювальної енергозберігаючої системи, і вибір конкретного типу теплогенератора (котел, ТНУ, нагрівальний кабель) і "теплоакумулюючого тіла" (вода, магнезитове ядро, накопичувач на базі матеріалів з фазовим переходом, огороджу вальні конструкції та ін.) залежить від результатів техніко-економічного обґрунтування.
На даному об’єкті було прийнято рішення виконати електротеплоакумуляційну систему на базі ТЕНових котлів з водяними баками-акумуляторами (див. рис. 1). Така система має низькі початкові капітальні вкладення та відзначається простотою в експлуатації. При цьому для підключення можна використати існуючі підводи води.
Рисунок 1 – Принципова схема теплоакумуляційної електроопалювальної системи на базі ТЕНових котлів
Як і всі сучасні електричні системи опалювання, даний спосіб забезпечує економію енергоресурсів за рахунок точного контролю температури та гнучкості керування системою опалення. В приміщенні встановлені програмувальні термостати, що дозволяють задати будь-який графік зміни температури протягом доби чи тижня. Наприклад, тільки за рахунок правильного регулювання навантаження взимку у вихідні дні можна заощаджувати до 70% теплової енергії.
Для покриття теплових навантажень, що отримані в результаті розрахунку теплових втрат приміщення, встановлено два основних та один піковий водогрійні котли виробництва ТОВ "Титан Атлант" номінальною потужністю відповідно 270 кВт, 315 кВт та 495 кВт з ККД перетворення електричної енергії в теплову ≈100%. Котли встановлені в підвальному приміщенні школи. Загальна встановлена теплопродуктивність системи становить 1,080 МВт.
У споживача було встановлено окрему точку обліку електричної енергії для розрахунку по тризонному тарифу. Вночі відбувається нагрівання теплоносія (води) та акумуляція тепла в баках-акумуляторах, а вдень накопичена теплова енергія поступово віддається споживачу. В якості баків-акумуляторів використано дві послідовно сполучені теплоізольовані ємності (з/д цистерни типу 25), що мають об’єм 70 м3 кожна. Баки-акумулятори заглиблені на 1,5 метра в землю на подвір’ї школи (рис. 2).
Рисунок 2 – Бак-акумулятор, що розміщується на подвір’ї школи
Система спроектована таким чином, що при температурі зовнішнього повітря − 6°С і вище в роботі знаходиться два основних котла, які за час дії нічного тарифу повністю забезпечують потреби в тепловій енергії. Для покриття пікових навантажень (при зниженні температури зовнішнього повітря) відбувається включення додаткового пікового електричного котла, робота якого розрахована в період дії тарифу "напівпік". Тобто реалізована комбінована система опалення (теплоакумуляція + пряме електроопалення). Це зроблено з метою зменшення початкових капітальних затрат та оптимізації роботи системи.
Важливою властивістю встановленої системи є повна автоматизація процесів, в результаті чого забезпечується мінімальна необхідність в обслуговуючому персоналі. В тому числі автоматично відслідковується завантаження трансформаторної підстанції і точно визначається наявність вільних потужностей для підключення електричних котлів. Цим унеможливлюється перевантаження підстанції і забезпечується відбір необхідної кількості енергії в нічні години. Запуск електротеплоакумуляційної системи відбувся в грудні 2010 року. За звітній період роботи електротеплоакумуляційної системи (1,5 опалювальних сезони) отримано економію коштів на опалення у розмірі майже 250 тис. гривень.
Вже сьогодні найпростіші системи опалення на базі ТЕНових котлів з водяними баками-акумуляторами є конкурентоспроможними в порівнянні з діючими системами опалення.
Комплексне використання теплоакумуляційних технологій електроопалення дозволяє зменшити втрати тепла при транспортуванні приблизно на 40%, а також зменшити на 30-40% витрати регіональних бюджетів на опалення та гаряче водопостачання бюджетних організацій.
Найсприятливіші умови щодо використання електричної енергії для опалення та гарячого водопостачання мають регіони, де є "вільні" електричні потужності.