Главная » Применение Тепловых насосов » Преспективы применения ТНУ

» Преспективы применения ТНУ

Особенности внедрения геотермальных технологий для малоэтажного

строительства в России на примере Ярославской области


К.т.н. М.И.Калинин, руководитель сектора; д.т.н., академик РАЕН Б.Н.Хахаев, генеральный директор, ОАО" НПЦ "Недра", г. Ярославль


Успешное экономическое развитие регионов России, создание благоприятных конкурентных условий для бизнеса, повышение жизненного уровня населения, реализация национального проекта "Доступное и комфортное жилье – гражданам России" во многом зависят от использования современных энергоресурсосберегающих и экологически эффективных технологий на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С учетом проблем энергетической и экологической безопасности, ежегодного роста цен на энергоносители и других факторов, эти технологии все шире внедряются в мировую практику и позволяют обеспечить высокий уровень замещения ископаемого топлива, экологическую чистоту и независимые от поставщиков топлива схемы энергообеспечения.

Энергетические ресурсы ВИЭ практически неисчерпаемы и, как правило, многократно превышают потребности регионов. Среди ВИЭ в России - по ресурсной базе, доступности почти в любом регионе и в любое время года и суток – наиболее привлекательным выглядит использование геотермальной энергии, в т.ч. -представленной малыми глубинами залегания (до 100-200 м), в виде низкопотенциального тепла верхних слоев грунта. Так, оцененные, на примере Ярославской области, приповерхностные геотермальные ресурсы, только до глубины 100м, составляют примерно 2,0 – 2,5 млн. т у. т. в год, то есть не менее 30 – 40% всей теплопотребности региона ежегодно[1].

Наиболее распространенной в мире геотермальной технологией, в особенности- для малоэтажных объектов, является использование тепла приповерхностного грунта с помощью мелких скважинных теплообменников (СТО) и тепловых насосов[1-6]. Как показала мировая практика и первый отечественный опыт, в т. ч.-приобретенный в Ярославской области на пилотной установке для теплоснабжения школы в д.Филиппово [3], низкопотенциальное тепло грунта можно эффективно трансформировать с помощью тепловых насосов (ТН) до температурного уровня, необходимого потребителю, включая жилой, промышленный сектор и объекты другого назначения. Поэтому общее число установленных в мире грунтовых тепловых насосов, в пересчете на среднюю тепловую мощность 12 кВт, перевалило за миллион [4]. Различные варианты этой технологии (схема на рисунке 1) могут обеспечить нагрузки отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, технологического холодоснабжения и горячего водоснабжения потребителей. Способность СТО к аккумулированию в грунте тепла и холода от дополнительных энергоисточников позволяет удачно сочетать тепло Земли с другими видами ВИЭ из окружающей природной среды ( прямым использованием солнечной энергии, энергией ветра и др.) и стоками тепла техногенного происхождения.


 
alt

Рис. 1 – Способы поставки и монтажа скважинных теплообменников (фото из журналов "Geothermische Energie") и схема теплоснабжения коттеджа с использованием низкопотенциального тепла приповерхностного грунта



Использование грунтовых теплонасосных установок (ТНУ) в центральных регионах России будет проходить в геолого-климатических условиях, существенно отличающихся от среднеевропейских: ниже температуры грунта (например до глубины 100 м, 5-8 0С вместо10-15 0С), продолжительнее, в 1,5-2,0 раза, отопительные сезоны. В связи с этим при реализации рассматриваемой технологии потребуется увеличение количества или длины СТО для одной и той же отапливаемой площади, что ведет к повышению первоначальных затрат на строительство систем сбора тепла грунта и росту сроков окупаемости грунтовых ТНУ. Следовательно, для коммерчески приемлемого внедрения подобных проектов в средней полосе России нужен поиск дополнительных механизмов улучшения технико-экономических показателей, в т. ч.- на основе комплексной оптимизации геолого-экономических, архитектурно-строительных и инженерных решений с применением снижающих теплопотери материалов и оборудования [1].

1. С позиции наименьших затрат на строительство подземного контура надо перейти от укрупненной оценки энергоресурсов приповерхностного грунта по регионам [7] к внутрирегиональному районированию ресурсов, для выбора приоритетных по максимальному удельному теплосъему (с 1 п. м СТО) участков территории в муниципальных районах (МР), под реализацию геотермальных проектов с мелкими СТО.

Начатая к настоящему времени ОАО "НПЦ "Недра" разработка методики такого районирования подтверждает: не всегда выгодно увеличивать теплосъем за счет большей длины СТО. Решающими могут оказаться наличие фильтрации в верхних слоях Земли и тепловое влияние грунтовых вод при обтекании ими замкнутого вертикального контура циркуляции незамерзающего теплоносителя (тосола) в СТО. Тогда рациональнее будет увеличить удельный теплосъем за счет использования более коротких СТО. Суммарная глубина бурения скважин под СТО уменьшится, с сохранением при этом общей извлекаемой тепловой мощности.

Самыми эффективными для инвестирования в строительство объектов с грунтовыми ТНУ будут участки с малыми и средними скоростями фильтрации вод (10-6-10-7 м/с), не затрудняющие гидротехнические условия строительства и с наибольшей суммарной мощностью водоносных горизонтов при наименьшей глубине их залегания.

В частности, факторы инвестиционной и инновационной привлекательности территории для эффективного внедрения указанной геотермальной технологии учитывались ОАО "НПЦ "Недра" при разработке рабочего проекта скважинной системы теплосбора к ТНУ для 15 коттеджей в Некрасовском МР Ярославской области. На выбранном участке за счёт теплового вклада грунтовых вод расчетная прибавка в теплосъёме с 1 п. м СТО составила около 20%. Соответственно уменьшаются инвестиции в подземный контур.

2. С позиции эффективного теплосбора и улучшения экономических показателей важен также выбор конструкции СТО. Рациональным вариантом является применение распространенных в Европе СТО с U- образными полиэтиленовыми трубками, рекомендованных мировой практикой по показателям стоимости и надежности [5,6], а также - проверенных многосезонной эксплуатацией на множестве объектов. Одно из главных преимуществ таких СТО, по сравнению с СТО коаксиального типа, заключается в возможности заводской сборки монтируемых в скважину петель, когда после экструзии полиэтиленовых трубок их непрерывная длина компонуется намоткой петель в катушки, удобные для транспортировки к месту строительства СТО (фото на рисунке 1), что также делает эту конструкцию предпочтительной для внедрения в российскую практику.

В отличие от методов расчета глубинных СТО, мелкие СТО рассчитывают, как правило, при осредненной по глубине скважины начальной температуре грунта и средневзвешенных по слоям грунта теплофизических характеристиках. Для проектирования таких СТО применительно к геолого-климатическим условиям в центральных регионах России была создана компьютерная программа, в основу которой положен метод физико-математического моделирования теплопереноса в приповерхностном грунте при использовании СТО с U-образными трубками, разработанный в Технологическом институте в г. Лунд (Швеция) и прошедший многократную проверку на запроектированных и действующих установках в ряде европейских стран. Примеры использования метода в виде рассчитанных по указанной программе параметров для предполагаемых объектов внедрения в Ярославской области, например, коттеджей с грунтовыми ТНУ, опубликованы.

3. С целью снижения эксплуатационных расходов, связанных с затратами электроэнергии на привод компрессора ТН, в качестве варианта для внедрения рассматривалась схема энергообеспечения, сочетающая комплекс мероприятий по повышению теплозащиты отапливаемых зданий и переходу к низкотемпературным режимам отопления, позволяющим получать максимальные рабочие коэффициенты при эксплуатации ТН, за счет уменьшения перепада температур теплоносителей (в испарителе, соединенном с подземным циркуляционным контуром, и - конденсаторе ТН), например, по варианту внутрипольного отопления.

Как указывается в монографии, обобщающей опыт внедрения первых грунтовых ТНУ в России, в т. ч. - в Ярославской области, для перехода на низкотемпературный вариант отопления надо проводить повышение теплозащиты зданий до экономически целесообразного уровня, не более, чем в 1,5-2,0 раза, соответственно снижая их удельную теплопотребность.

С учетом этих рекомендаций и предложенного, для предварительной оценки эффективности грунтовых ТНУ, упрощенного метода графического построения годовых графиков тепловых нагрузок ТН с электроприводом , в разработанной на основе метода схеме энергообеспечения коттеджа расчетный среднесезонный рабочий коэффициент ТНУ составляет около 4-х единиц, то есть на 1кВт-ч электроэнергии, затрачиваемой на привод ТН, можно получить 4 кВт-ч тепловой энергии. Для сравнения, в европейских странах при принятии решения о внедрении подобных проектов руководствуются расчетными величинами коэффициента не менее 3,0-3,5 единиц.

За счет механизмов и подходов, рассмотренных в п.3, годовая потребность в энергоресурсах на примере коттеджа снижается до 50 кВт-ч на 1м2 отапливаемой площади (Табл.), вместо 90 - 120 кВт-ч/м2 по традиционным вариантам теплоснабжения.


 Таблица

Проектные технико-экономические показатели

системы энергообеспечения коттеджа с отапливаемой площадью 390 м2

(на примере участка строительства в Ярославской обл.)

Наименование

показателя

Единицы

измерения

Величина показателя

для варианта системы

Котел

на природном

газе

Грунтовый

тепловой

насос

Количество проживающих

чел.

5

5

Расчетная температура наружного воздуха

оС

-31

-31

Продолжительность отопительного сезона

сутки

221

221

Расчетная нагрузка теплоснабжения,

 

38,2

38,2

в т.ч. - горячего водоснабжения;

 

2,8

2,8

отопления,

кВт

35,4

35,4

в т.ч.- за счет теплогенерации: тепловой насос (ТН) + пиковый электродогрев (режим 45/30 оС)

 

24,2

24,2

- за счет возвращаемого тепла вент. выбросов

 

11,2

11,2

Количество скважинных теплообменников при длине каждого 100 м

шт.

-

2

Теплопроизводительность,

МВт-ч/год

(Гкал/год)

102,1 (87,8)

102,1 (87,8)

в т.ч. - на отопление: ТН + электродогрев + теплоутилизация вент. выбросов

 

88,3

 

60,5 (ТН) + 27,8

- на горячее водоснабжение

13,8

13,8

Холодопроизводительность (холод от скважин летом)

МВт-ч/год

-

12,8

Инвестиции,

 

42,5

45,0

в т.ч. - система сбора тепла грунта

 

-

11,6

- ТН с принадлежностями

 

-

9,3

- газовый котлоагрегат

 

8,5

-

- баки-аккумуляторы с электродогревателями

тыс. EURO

3,7

3,7

- газопровод к коттеджу

 

10,3

-

- распред. трубопроводы с отопительными приборами

 

4,0

4,0

- агрегат приточно-вытяжной вентиляции (АПВВ) с теплоутилизатором (ТУ)

 

4,5

4,5

- СМР и пусконаладка (20% от стоимости оборудования)

 

6,2

6,5

- проектные работы (12% от инвестиций)

 

5,3

5,4

Среднесезонные коэффициенты:

 

 

 

- преобразования в ТН (внутрипольное отопление)

-

 

3,9

- использования первичной энергии (или КПД котла)

 

(0,9)

1,2

Расходы на эксплуатацию в 2007/2010 г.,

EURO/год

788/1392

804/1182

в т.ч. - эл. энергия при цене за 1 кВт-ч: 0,04/0,06 EURO

260/390

760/1130

- природ. газ при цене 38/80 EURO за 1000 м3

408/858

-

- сервисное обслуживание

120/144

44/52

Себестоимость производимой энергии

руб./Гкал

314/555

320/470

Экономия топлива относительно газового котла без установленного АПВВ с ТУ / с установкой

т у.т./год

%

3,8

27

5,9

42/21

Снижение выбросов СО2 на 1 коттедж

т/год

5,7

9,0

Снижение себестоимости 1 Гкал, приведённой к варианту " тепло+холод от скважин"

%

-

35

Снижение срока окупаемости относительно газового котла при ценах на энергоносители в 2010 г., по вариантам: " тепло + холод от скважин" /" только тепло"

%

-

25/10


4. С позиции надежности грунтовой системы теплосбора и увеличения срока её службы, за счет предотвращения длительного промерзания и недопустимого уровня температурных деформаций петель СТО, рекомендуется снижение нагрузки на грунт путем применения дополнительных энергоисточников, например, техногенного происхождения, в частности, тепловых выбросов от устанавливаемого в коттедже агрегата приточно-вытяжной вентиляции (АПВВ). Для этого АПВВ оборудуется теплоутилизатором в линии удаляемого воздуха, и тогда схема энергообеспечения представляет сочетание воздушного и водяного отопления. Как показывают расчеты, в этом случае затраты на вентиляционный контур и оборудование для использования тепла вентиляционных выбросов примерно равны затратам на дополнительный СТО длиной 100 м, который бы потребовался по варианту использования только тепла грунта.

 Результаты расчетов годовых графиков нагрузок, температурных режимов грунта и теплоносителя, по разработанной для этого методике оптимизации тепловых нагрузок на грунт при продолжительных отопительных периодах (4000-5000 ч в год и более) за счет комплексного использования тепла грунта и тепловых выбросов вентиляции, обсуждаются в работе [10], на примере коттеджа.

5. Для улучшения экономических показателей за счет повышения количества оказываемых услуг рекомендуется в летний период использовать холод, аккумулированный в СТО за отопительный сезон при извлечении тепла грунта, на прямое охлаждение помещений от скважин, то есть - без кондиционеров, затрачивающих на производство холода электроэнергию. В этом случае сетью охлаждения может служить та же внутрипольная распределительная система трубок, что и для отопления.

Предложенная с учетом этого фактора технологическая схема энергообеспечения [10] показана условно на рисунке 2.

alt

Рис.2 - Технологическая схема тепло- и холодоснабжения от теплообменников в мелких скважинах


Приведенные на схеме два варианта охлаждения, напрямую от скважин и через реверсивный ТН, переключаемый в теплый период года в режим холодильной машины, могут в комплексе обеспечить необходимую охлаждающую нагрузку, включая самые жаркие регионы. Однако, как показал мировой опыт, применительно к регионам с умеренным климатом можно ограничиться низким уровнем охлаждения (через скважины), с учетом того обстоятельства, что полученная в практике использования СТО температура в охлаждаемых жилых помещениях - около 14 0С ( вместо 6 0С – ТН в режиме холодильника, режим 2 на рисунке 2) является достаточно комфортной[6].

Принимая во внимание, что при этом не потребуются дополнительные затраты электроэнергии на привод ТН, для охлаждения помещений в климатических условиях средней полосы России, в т.ч.- в Ярославской области, при внедрении грунтовых ТНУ рекомендуется режим охлаждения 1 на рисунке 2.

В предложениях ОАО "НПЦ" Недра" на разработку проектов такая схема рассматривается, как вариант по требованию заказчика (особенности расчета и отличия в расчетных параметрах геотермальных систем по варианту с охлаждением от скважин обсуждаются в работах [1,10]).Как показывают рассчитанные графики температур грунта и теплоносителя, за счет дополнительного восстановления скважин при сбросе в СТО через промежуточный теплообменник основной части тепла из помещений, предоставляется возможность занизить при проектировании, на 1-2 оС и более, температурный порог многосезонной эксплуатации СТО. В результате оптимизируемая путем расчетов проектная длина СТО уменьшается не менее, чем на 10-15% и, соответственно, еще снижаются затраты на строительство подземного контура.

Вместе с мероприятиями по п.1 это вносит весомый вклад в снижение инвестиций в строительство системы сбора тепла грунта (до 30-40%) и повышение инвестиционной привлекательности геотермальных проектов.

6. С целью дальнейшего расширения технологических возможностей грунтовых ТНУ за счет получения в межотопительные периоды дополнительного количества тепла, например, на горячее водоснабжение летом, будет также эффективным использование вариантов тепловой поддержки за счет других видов ВИЭ, например, прямого солнечного излучения, с помощью коллекторов, устанавливаемых на крыше дома.


7. Для совершенствования финансово- экономических механизмов применительно к рассматриваемым геотермальным системам необходимо принимать во внимание особенности роста цен на энергоносители в России, связанные, например, с вхождением в ВТО. При этом проводить бизнес-планирование с учетом коэффициентов преобразования в ТН и использования первичной энергии, дисконтирования эксплуатационных расходов, эффективных схем кредитования, налоговых льгот, стимулирующей тарифной политики по отношению к энергоресурсосберегающим и экологически благоприятным проектам на основе ВИЭ и ТН, не сбрасывая со счетов экологическую, социально значимую, составляющую в стоимости тепла при экономической оценке проектов.

В представляемой ниже таблице рассчитанное снижение вредных выбросов, на примере СО2, хотя и кажется малым ( для одного коттеджа), но при запланированных в регионах объемах отдельных застроек, в т. ч.- в Ярославской области, до 100 – 1000 домов каждая, вырастет до существенной величины по отношению к проблеме сохранения окружающей среды и здоровья проживающих, что учитывается при создании экологических поселков в странах с развитым рынком грунтовых ТНУ [6].

8. Для развития систем на основе ВИЭ и ТН в России важное значение имеет также защита интеллектуальной собственности, в виде публикаций в центральных научно-технических журналах и патентования разработанных технологических и технических решений. Это повышает престиж разработчиков инновационных технологий и расширяет возможности экономически выгодного тиражирования геотермальных проектов на другие регионы и страны с похожими геолого-климатическими условиями.

Инновационный уровень предлагаемой ОАО "НПЦ "Недра" системы энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей подтвержден выданным патентом РФ на изобретение [13], которое разработано, как один из вариантов для реализации технологической схемы на рисунке 2.

9. Немаловажное значение для внедрения геотермальных технологий имеет информационно-просветительская деятельность по представлению рассмотренных инноваций среди застройщиков и потребителей, а также – разработки по созданию демонстрационных объектов и обучающих центров подготовки обслуживающего персонала.

Один из таких объектов-центров намечен на перспективу, в виде разработанного ОАО "НПЦ"Недра" инвестиционного предложения по проекту "Экспериментально - демонстрационная геотермальная ТНУ для тепло- и хладоснабжения общежития на 50 мест в с. Устье Ярославского МР Ярославской обл., с использованием тепла приповерхностного грунта и тепловых сбросов вентиляции". Бурением скважины, при строительстве СТО длиной 100 м с U-образными трубками, возле запланированного на реконструкцию двухэтажного здания общежития, подтверждено наличие в геологическом разрезе водоносных горизонтов с эффективной суммарной мощностью, что указывает на обоснованный выбор места застройки.

В пользу дальнейшего продвижения рассмотренных инновационных технологий в практику говорит тот факт, что наконец-то начата разработка Российской программы развития ВИЭ, и, возможно, как в западных странах, появится реальная федеральная и региональная поддержка проектам с ВИЭ и ТН, как законодательная, так и финансовая.

Другим способствующим фактором является опережающий рост цен на природный газ по отношению к электроэнергии. Например, согласно опубликованным на сайте администрации Ярославской области плановым тарифам, к 2010 году цены на эти энергоносители вырастут, относительно 2007 г., явно неодинаково: в 2,1 и 1,5 раза, соответственно.

Рассчитанные с учетом этих факторов технико-экономические показатели (ТЭП) на примере коттеджа (Табл.) подтверждают, что только при комплексном использовании основных из перечисленных механизмов внедрения в условиях центральных регионов России можно достичь эффективного и коммерчески приемлемого уровня применения геотермальных технологий на приповерхностном грунте.

Из таблицы видно, что проектный коэффициент преобразования в грунтовом ТН c пиковым электродоводчиком позволяет снизить потребление энергоресурсов на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение до эффективного значения. Экономия топлива определяется тем, что коэффициент использования первичной энергии (то есть - топлива, расходуемого на электростанции), равный произведению рабочего коэффициента ТНУ (3,9, Табл.) на КПД производства электроэнергии (принят 0,3), для варианта в таблице составляет около 1,2, то есть на 30% превышает КПД газового котла (0,9). Другая часть экономии образуется за счет возвращения на подогрев приточного воздуха 70-80% тепла вентиляционных выбросов. И если применительно к 2007г. себестоимости генерируемой тепловой энергии для сравниваемых в таблице систем энергообеспечения примерно одинаковы, то в 2010 году тепло, произведенное с использованием системы на природном газе, становится дороже, чем в предлагаемом варианте с грунтовой ТНУ, примерно на 20%. Срок окупаемости последнего варианта, с годовым потреблением электроэнергии тепловым и циркуляционными насосами 19 тыс. кВт-ч, при тарифах на 2010 г., меньше по сравнению с газовым котлоагрегатом, даже если тот используется в комплексе с такой же вентиляционной системой, снабженной теплоутилизатором.

Дополнительные резервы снижения срока окупаемости заключаются в прямом использовании летом холода от скважин на охлаждение помещений. Чтобы учесть этот фактор, в расчеты ТЭП для коттеджей впервые вводили учет составляющей холодоснабжения. Для этого применялся следующий подход.

При отношении требуемых годовых количеств тепла и холода для жилых помещений в средней полосе России - около 6 : 1 [14] принимали во внимание, что по выбранному режиму охлаждения 1 (Рис.2) не будут обеспечены пики холода в жаркий период, и, выводя их из объемов холодоснабжения в расчетах, это отношение увеличивали в пользу тепла ( принимали 8 : 1 ). Отсюда, для рассматриваемого проекта (Табл.) величина холодопроизводительности скважин составит 12,8 МВт-ч в год. Далее, пользуясь известным из практики соотношением энергозатрат на производство единицы тепла и холода в установках с кондиционером – примерно 1 : 3, единицу холода от скважин условно приводили в экономических расчетах к трем дополнительно произведенным единицам тепла, пересчитывая общую теплопроизводительность в сторону увеличения, а себестоимость 1Гкал, соответственно, в сторону уменьшения.

Рассчитанная таким образом себестоимость 1Гкал тепла для варианта "тепло + холод от скважин" будет меньше на 35%, чем для варианта "только тепло", и срок окупаемости грунтовой ТНУ становится еще ниже по отношению к газовому котлоагрегату (на 25%, ).

С намечаемым к настоящему времени развитием в России рынка мини-ТЭЦ и микро-ТЭЦ при участии подрядчиков могут быть рассмотрены и другие варианты, например, полное автономное энергообеспечение коттеджа, включая производство электроэнергии для бытовых нужд и тепловых насосов, в т. ч. - выработку ее на биогазе с применением древесных и других отходов, что еще больше увеличит долю ВИЭ в энергобалансе дома.

Предлагаемые подходы могут быть применены и при внедрении геотермальных технологий на приповерхностном грунте для многоэтажных зданий, но тогда, ввиду использования многоскважинного подземного контура, при проектировании добавляется оптимизация поля скважин с учетом имеющегося пространства под застройку и теплового взаимовлияния грунтовых теплообменников, зависящего от расстояний между ними и конфигурации скважинного поля.

Таким образом,  на примере объектов в Ярославской области, предлагается механизмы эффективного внедрения технологии, основанной на использовании возобновляемой геотермальной энергии, а также - энергогенерирующую систему, позволяющую, наряду с качеством микроклимата в жилых помещениях и энергоресурсосбережением, обеспечить конкурентоспособное и инвестиционно привлекательное автономное энергоснабжение дома. Технология и система подходят для развития малого и среднего бизнеса, занятого в строительстве малоэтажных жилых и других зданий в России, в т.ч. - в ЦФО и окрестных регионах. Возрастающий в нашей стране спрос на строительство коттеджных поселков также способствует этому развитию, в т. ч. - в рамках проекта "Доступное и комфортное жилье – гражданам России", и выполнению других энергоэффективных программ, связанных, например, с сохранением окружающей среды при намеченных темпах роста энергопотребления.

С применением предложенных геолого-экономических, технологических, технических, методологических и проектировочных решений при оцененном масштабном потенциале природных энергоресурсов создаются предпосылки для освоения в достойных объемах экологически чистого местного источника возобновляемой энергии, разрабатываемого с помощью мелких скважин и обеспечивающего при коротких подсоединениях (снижающих риски, затраты на транспортировку и теплопотери) широкий спектр объектов с любой удаленностью от энергоподводящих магистралей и месторождений органического топлива.

Дальнейшее движение цен на традиционные энергоносители к среднемировым значениям, увеличение энергопотребности регионов, ведущее к нарастанию экологических проблем, и опережающий рост цен на природный газ по отношению к электроэнергии, потребляемой тепловыми насосами, будут неизбежно стимулировать массовое развитие в России технологий, основанных на использовании ВИЭ.