Григорьева Елена Геннадьевна

Факультет: Физико-металлургический

Специальность: Экономический менеджмент

Тема выпускной работы: «Использование тепловых насосов в качестве

источника низкопотенциальной энергии.»

Руководитель: Гридин Сергей Васильевич

Автореферат Биография Ссылки Мое творчество

Перспективы внедрения тепловых насосов в Украине

Известно, что жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является важнейшей социальной отраслью, где функционируют тысячи предприятий и организаций, эксплуатируется почти 25% основных фондов страны, занято около 7% трудоспособного населения и используется около 26% топливно-энергетических ресурсов Украины. В то же время эта отрасль экономики является наиболее технически отсталой с целым рядом все обостряющихся проблем. Средний расход тепловой энергии, используемой для отопления жилого фонда, превышает 600 кВт • ч / год на 1 м3, что в 4-5 раз выше, чем аналогичные показатели для таких «холодных» стран как Норвегия, Швеция и Финляндия.

В регионах с низкой плотностью застройки, что характерно для сельской местности, где проживает около 40% населения Украины, показатели энергоэффективности использования теплоты в жилищно-коммунальном секторе ещё ниже. В этой группе децентрализованных энергопотребителей эксплуатируются сотни тысяч индивидуальных генераторов теплоты, имеющих, как правило, низкоэффективное оборудование с повышенным выбросом загрязняющих веществ в атмосферу. Альтернативой энергорасточительным теплогенераторам (малые котельные, печное отопление и т.п.), традиционно используемым для обеспечения теплом децентрализованных потребителей, могут служить тепловые насосы (ТН), представляющие собой энергосберегающее экологически чистое технологическое оборудование, внедрение которого позволяет не только уменьшить затраты органического топлива на получение теплоты, но и существенно снизить загрязнение окружающей среды.

Принцип действия теплового насоса базируется на реализации обратного термодинамического цикла.
В ТН рабочий агент совершает обратный круговой термодинамический цикл, в результате которого обеспечиваются непрерывный отвод энергии от холодного источника и передача её теплоносителю с более высокой температурой за счёт подвода внешней энергии к компрессору. Для оценки энергетической эффективности ТН используется коэффициент преобразования (СОР), представляющий собой отношение теплоты, отдаваемой тепловому потребителю, к затраченной работе привода компрессора.Величина коэффициента СОР зависят от разности температуры источника и потребителя, степени обратимости цикла, термодинамических свойств рабочего тела и других факторов и на практике находятся в пределах 1,5-6,0. Это значит, что на единицу затраченной электрической энергии, тепловому потребителю передаётся в 1.5 - 6 раз больше тепловой энергии. Эффективность тепловых насосов в последние годы значительно возросла вследствие изменений, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и микропроцессорных систем управления.

Применение двухступенчатого сжатия и впрыска в компрессор жидкого фреона позволяет существенно увеличить диапазон давлений испарения и конденсации, тем самым значительно повышая максимальную температуру теплоносителя (вплоть до 70С) при температурах окружающей среды до -20С.

Источниками низкопотенциальной теплоты являются атмосферный воздух, вода естественных водоёмов, грунт, грунтовые воды, солнечная радиация, а также источники теплоты, возникшие в результате деятельности человека, такие, как вода из систем охлаждения оборудования или технологических процессов, вытяжной воздух систем вентиляции, очищенная вода станций аэрации и др., т.е. вторичные низкопотенциальные энергоресурсы (ВЭР). Применение теплонасосной техники представляет собой не очередную модернизацию традиционных энергоисточников, а внедрение относительно нового, прогрессивного, высокоэффективного и экологически чистого способа преобразования энергии, позволяющего не только уменьшить затраты органического топлива при получении теплоты, но и существенно снизить загрязнение окружающей среды.

Теплонасосные установки являются также многофункциональными, используемыми в том числе в системах кондиционирования (одновременно производящими теплоту и холод), мобильными, относительно простыми в изготовлении и в эксплуатации. Исследования, выполненные в КиевЗНИИЭП, в НПП «Инсолар», в ИПМаш НАНУ и базирующиеся при оценке энергетической эффективности различных систем теплоснабжения на понятии коэффициента использованной первичной энергии, показывают, что при рационально организованной системе на базе тепловых насосов со средним коэффициентом преобразования 3,5 затраты топлива могут быть уменьшены по сравнению с крупными отопительными котельными в 1,2-1,8 раз, по сравнению с мелкими котельными и индивидуальными тепло генераторами - в 2-2,6 раза и по сравнению с электронагревателями - в 3-3,6 раза при нынешних тарифах на энергоносители.

Учитывая тот факт, что по прогнозам стоимость тепловых насосов может увеличиваться не более чем на 2-3% в год, а тарифы будут расти сравнимо с уровнем инфляции (порядка 10-15% в год), сроки окупаемости могут существенно снизиться.
В системах с рекуперацией теплоты низкопотенциальных сбросных энергопотоков и использованием теплонасосного оборудования для кондиционирования воздуха в помещениях в летнее время сроки окупаемости могут быть менее 2-3 лет. Опыт эксплуатации миллионов теплонасосных установок в различных странах мира подтверждает, что на сегодняшний день они, без сомнения, являются альтернативой энергорасточительным теплогенераторам, традиционно используемым в децентрализованных системах тепло- и хладоснабжения жилищно-коммунального сектора. В США и Японии для отопления и кондиционирования воздуха широкое применение получили реверсивные ТН класса «воздух-воздух». К 2000 году в США исследованиями и производством тепловых насосов занималось более пятидесяти крупных фирм. Общее количество работающих ТН к 2003 году превысило 25 млн. единиц.

В Японии ежегодно производится и продаётся до 500 тысяч ТН различного функционального назначения, и около 5 млн. теплонасосных систем являются основным оборудованием в обеспечении теплотой жилищного фонда. Самые крупные ТН эксплуатируются в Швеции и странах Скандинавии. Из 110 тысяч теплонасосных станций, работавших в Швеции в 2000 году, около ста имели мощность 100 МВт и более, а наиболее мощный в мире ТН с установленной тепловой мощностью 320 МВт успешно работает в Стокгольме, используя в качестве низкотемпературного источника теплоту морской воды. К сожалению, если в развитых и развивающихся странах счёт работающих ТН ведётся на миллионы или сотни тысяч, в Украине работают единичные установки, созданные, в основном, на элементной базе холодильного оборудования, ввозимого из стран Западной Европы. Очень низкие темпы внедрения отечественных ТН объясняются не только худшими их показателями по экономичности, надежности и дизайну по сравнению с зарубежными аналогами, но и отсутствием должной подготовки отечественного потребителя к применению новой высокоэффективной теплонасосной технологии преобразования тепла.Для успешного продвижения и внедрения в народное хозяйство тепловых насосов необходима государственная программа с выделением бюджетного финансирования. Анализ ситуации в экономике и ЖКХ Украины показывает, что имеются колоссальные неиспользованные потенциальные возможности сбережения дорогостоящего органического топлива и снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания и/или технологическими сбросами при внедрении теплонасосных установок различного функционального назначения в областях, где это внедрение целесообразно.

Областями наиболее рационального внедрения являются:

· применение ТН в жилищно-коммунальном секторе для горячего водоснабжения и отопления зданий;

· применение ТН в системах создания оптимального микроклимата в крупных общественных зданиях, спортивных и киноконцертных комплексах , где наряду с проблемами термостатирования и утилизации теплоты сбросных воздушных и водяных потоков

· создаются условия, исключающие условия конденсации влаги на металлических и железобетонных строительных конструкциях и провоцирующие их коррозию и разрушение;

· применение ТН в различных технологических процессах промышленности и сельского хозяйства.

Выполненный краткий анализ проблем и возможностей использования теплонасосной технологии преобразования низкопотенциальной теплоты позволяет сделать следующие выводы:
Теплонасосная технология преобразования низкопотенциальной природной энергии или теплоты вторичных низкотемпературных энергоресурсов в высокопотенциальную тепловую энергию, пригодную для практического использования, представляет собой не очередную модернизацию традиционных энергоисточников, а внедрение относительно нового, прогрессивного, высокоэффективного и экологически чистого способа получения теплоты.

На сегодняшний день для решения проблем энергосбережения ТН являются наиболее перспективными среди источников «нетрадиционной энергетики» благодаря возможности «черпать» возобновляемую энергию из окружающей среды. В мировой практике для преобразования низкопотенциальной теплоты наибольшее распространение получили парокомпрессионные ТН с электрическим приводом и сорбционные с тепловым приводом.

В мире эксплуатируются миллионы теплонасосных установок различного функционального назначения, обеспечивая колоссальную экономию первичных энергоресурсов и значительное снижение эмиссии СО2 и других вредных выбросов в атмосферу. Области наиболее перспективного внедрения ТН - это системы тепло- и хладоснабжения промышленных технологических процессов, отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения объектов жилищно-коммунального комплекса, энергетика.

Украина существенно отстает от стран мирового сообщества как по производству, так и по внедрению ТН в различные области экономики. В Украине нет промышленного производства ТН, внедренные установки производятся, как правило, в единичных экземплярах, но даже при своих не оптимальных параметрах подтверждают достоинства и уникальность применения ТН как эффективных энергосберегающих источников теплоты в различных отраслях экономики.

Конкурентоспособность ТН зависит от большого числа факторов термодинамического, конструктивного, экономического характера, от их функционального назначения и экологического воздействия на окружающую среду и др. В каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов определяется целесообразность внедрения ТН конкретного типа в качестве источника теплоты для конкретного потребителя. Упрощенный подход к подбору мощностей и комплектующих, выбору схемных решений, к монтажу и сервисному обслуживанию относительно дорогих ТН может привести к дискредитации идеи внедрения теплонасосных технологий у отечественного потребителя.

Без государственной поддержки, заключающейся в надлежащем финансировании программ создания отечественных ТН, конкурентоспособных по отношению к импортным аналогам, без введения специальных тарифов на электроэнергию для пользователей ТН, без льгот и выгодных кредитов при покупке, без уменьшение НДС при ввозе комплектующих отечественными производителями ТН-техники и т.п. проблемы внедрения ТН останутся декларативными.