Децентрализованные системы теплоснабжения, их достоинства и недостатки.
Децентрализованная (по расположению источника тепла) система – теплоснабжение от мелких котельных, индивидуальных отопительных печей и т.п. Состоит из источника теплоты, который совмещен с нагревательным прибором потребителя или соединен с ним внутренними тепловыми сетями. Т.о., основной признак децентрализованной системы теплоснабжения — отсутствие внешних тепловых сетей. Децентрализованная система теплоснабжения обеспечивает теплотой помещение, квартиру или здание. Большие здания имеют развитые внутренние тепловые сети, которые называют системами отопления. Т.к. система теплоснабжения небольшой группы зданий мало отличается от системы отоплений одного здания, в энергетике к децентрализованным относят системы с тепловой мощностью менее 50 МВт.
Децентрализованные системы теплоснабжения:
1) В индивид. системах теплоснаб-е каждого помещения обеспеч-ся от отд. источника. К таким с-мам относят печное и поквартирное отопление, и в частности, коттеджное.
2) В местных системах теплоснаб-е каждого здания обеспеч-ся от отд. источника теплоты, обычно от местной или индивидуальной котельной.
— Пользователь самостоятельно регулирует температурный режим исходя из своих ощущений теплового комфорта, в том числе сам принимает решение о начале отопительного сезона
— Возможно достичь не только снижения капитальных вложений за счет отсутствия тепловых сетей, но и переложить расходы на стоимость жилья (т. е. на потребителя).
-Ухудшает показатели экономической эффективности системы централизованного теплоснабжения города;
– уменьшается подключенная тепловая нагрузка к городской котельной, что приводит к увеличению себестоимости отпускаемой тепловой энергии;
– Малые автономные источники (крышные котельные, квартирные теплогенераторы) рассчитаны на сжигание только одного вида топлива – сетевого природного газа, что, естественно, отрицательно сказывается на надежности теплоснабжения.
– Установка квартирных теплогенераторов в многоэтажных домах при нарушении их нормальной работы создает непосредственную угрозу здоровью и жизни людей.
Арматура, используемая в тепловых сетях.
Арматура, применяемая в тепловых сетях, по назначению подразделяется на запорную, регулировочную, предохранительную (защитную), дросселирующую, конденсатоотводящую и контрольно- измерительную.
К основной арматуре общего назначения обычно относят запорную арматуру, так как она используется наиболее широко непосредственно на трассе тепловых сетей. Остальные виды арматуры устанавливаются, как правило, в тепловых пунктах, насосных и дросселирующих подстанциях и др.
Основными типа запорной арматуры тепл. сетей являются задвижки и вентили. Задвижки обычно применяются в водяных сетях, вентили – в паровых. Изготовляют их из стали и чугуна с фланцевыми и муфтовыми концами.
Запорная арматура устанавливается на всех трубопроводах, отходящих от источника тепла, в узлах ответвлений, а также на штуцерах для спуска воды, выпуска воздуха.
Дросселирующей арматурой называются приводные устройства для регулирования давления среды при помощи изменения площади прохода между затвором и седлом. Дросселирующая арматура выполняется вентильного, кранового и клапанного типов.
Конденсатоотводящая арматура – вид арматуры, для автоматического удаления конденсата по мере того, как он накапливается в нижних точках трубопровода и конденсатосборниках.
Арматура регулирующая – основное предназначение направлено на регулирование заданных параметров рабочих сред.
Запорная арматура – применяется для перекрытия потоков при перемещении рабочих сред.
Децентрализованное теплоснабжение. Приоритетные направления развития. Проблемы внедрения
Теплоснабжением зданий в нашей стране занимаются с 40-х годов XX века. И тогда, и в последующие советские годы оно было централизованным, а в качестве источника теплоты использовались ТЭЦ и котельные установки. Но с начала 90-х стал применяться зарубежный опыт децентрализованного теплоснабжения с автономными источниками тепла (АИТ) вместо котельных. Автор считает именно это направление приоритетным для развития отрасли. К такому выводу его привел 50-летний опыт работы в области проектирования и строительства, десятки построенных его командой зданий и расчеты, сделанные в ходе их проектирования и последующей эксплуатации.
В первые послевоенные годы на территории СССР активное развитие получила электроэнергетика. Анализируя процессы выработки электрической энергии, инженеры и ученые пришли к выводу, что большое количество сбросного тепла из градирен тепловых электроцентралей (ТЭЦ) остается незадействованным. Невостребованные тепловые мощности решено было направить на нужды теплоснабжения зданий. Так сформировалась комбинированная выработка тепловой энергии, при которой она производится на одном предприятии с электрической. Вся потенциальная энергия топлива тратится на выработку электрической энергии – 35-45%, а остальные 55-65% – бросовое тепло, которое можно использовать для подогрева воды. В стоимости этого тепла топливная составляющая отсутствует.
Постепенно централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепловой электрической энергии стало для страны приоритетным. Однако режимы потребления тепла и электроэнергии не всегда совпадали по нагрузкам. Как правило, тепловая мощность тепловых электрических станций использовалась на 40%. Тем не менее, зимой этой мощности категорически не хватало для покрытия тепловых нагрузок. Решением стало строительство пиковых водогрейных котельных при ТЭЦ. Но и их мощности, как оказалось, было недостаточно даже в Москве, где построены десятки крупных РТС.
Приведу в пример Уфу. В этом городе построено много ТЭЦ, но на нужды теплоснабжения расходуется лишь 30% их мощностей. Одна из причин – пересеченный рельеф местности. Электрические мощности со сбросными тепловыми нагрузками буквально «заперты» на ТЭЦ. Чтобы транспортировать эту энергию, необходимо создавать сложную схему теплоснабжения с насосными подкачками и перекачками.
По всей стране в качестве источников тепла системы централизованного теплоснабжения стали возводить квартальные и районные котельные. Там, где не было ТЭЦ, котельные строились при градообразующих предприятиях, которые снабжали теплом в том числе и населенные пункты. В 1990-х годах многие такие предприятия обанкротились. Содержать их стало сложно: котельные мощностью в 50, 60 или 100 МВт стали вырабатывать для населенных пунктов тепла на порядок ниже установленной мощности.
Оборудование котельных не использовалось, амортизировалось и, соответственно, морально и физически устаревало. Зимой из-за износа тепловых сетей, который на сегодняшний день составляет 40-50%, стали происходить крупные и мелкие аварии, продолжающиеся до сих пор.
Как дальше развивать теплоснабжение в стране?
С начала 1990-х годов в институте «СантехНИИпроект» изучался зарубежный опыт децентрализованного теплоснабжения с автономными источниками тепла (АИТ), интегрированными в здания.
Отмечу, что до 50-х годов XX века АИТ широко использовались в Советском Союзе в виде встроенных в здания подвальных котельных на каменном угле. В 1960-х годах с развитием добычи нефти и газа Н.С. Хрущев изменил топливный баланс страны, сделав ставку на жидкое топливо в качестве основного источника энергии. В подвальных котельных, не приспособленных для сжигания такого топлива, стали часто происходить аварии. Невозможность обеспечения пожарной безопасности, развитие теплофикации и центрального теплоснабжения – все это привело к законодательному запрету на использование жидкого топлива и газа в подвальных котельных жилых домов. Развитие автономного децентрализованного теплоснабжения приостановилось, работы по повышению его надежности и эффективности были свернуты.
Исследование проблем, возникающих при эксплуатации системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) на базе котельных, с учетом сложившейся экономической ситуации показало, что наиболее эффективное решение для развития теплоснабжения в нашей стране – отказ от районных и производственных котельных в пользу АИТ, интегрированных в здания (крышных, встроенных и пристроенных котельных) без тепловых сетей, а также поквартирное теплоснабжение. При этом основным видом топлива является газообразное как доминирующее при выработке тепловой энергии для населения. Однако коэффициент его полезного использования в нашей стране весьма низок.
На рис. 1 представлена структурная схема нормативно-технических документов, регламентирующих услуги в области теплоснабжения. В левой части – централизованное теплоснабжение, которое развивается под эгидой Министерства энергетики: комбинированная выработка тепловой и электрической энергии ТЭЦ, районные и квартальные котельные. В правой части – автономное, поквартирное теплоснабжение, которое мы стали развивать в институте «СантехНИИпроект»: крышные, встроенные, пристроенные котельные и индивидуальные теплогенераторные установки.
Рис. 1. Структурная схема нормативно-технических документов, регламентирующих услуги в области теплоснабжения
Отдельно остановлюсь на поквартирной системе теплоснабжения, которая пока наименее развита в нашей стране.
Поквартирное теплоснабжение – обеспечение теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения квартир. Система состоит из источника теплоснабжения – теплогенератора, трубопроводов горячего водоснабжения с водоразборной арматурой, трубопроводов отопления с отопительными приборами внутри квартиры.
Когда в институте «СантехНИИпроект» мы начали изучать систему поквартирного теплоснабжения, в правовом поле отсутствовали какие-либо нормативные документы на эту тему. Наши исследования базировались только на рассмотрении зарубежного опыта, в первую очередь Западной Европы. В начале 1990-х годов там активно развивалось производство абсолютно безопасных квартирных теплогенераторов с закрытой камерой сгорания. Теплогенератор в этом случае берет поддерживающий горение воздух снаружи и туда же удаляет дымовые газы. Во внутреннем воздухообмене квартиры процессы горения не участвуют.
Как и у других технологий, у системы поквартирного теплоснабжения есть свои минусы, точнее – один главный минус, который заключается в том, что она требует принятия повышенных мер безопасности, поскольку расположена в жилых помещениях. Однако следует отметить, что гораздо большую опасность в этом смысле представляют собой газовые плиты для приготовления пищи.
Учитывая риски, связанные с внедрением системы поквартирного теплоснабжения, при разработке соответствующих нормативных документов мы указываем на необходимость использования легкосбрасываемых конструкций в виде оконных переплетов – с целью взрывозащиты зданий. Практика показывает, что применяемые в настоящее время конструкции не срабатывают, взрывы приводят к разрушению значительной части дома. Назрела насущная необходимость провести исследования по определению причин такого положения и принять правила расчета и устройства оконных конструкций с привлечением заводов для их производства и поставки. Исключить образование взрывоопасной смеси поможет мониторинг воздушной среды в помещении, в котором установлено газоиспользуемое оборудование с быстродействующим электромагнитным клапаном, способным при обнаружении протечки автоматически перекрывать подачу газа.
Таким образом, способы организации безопасного применения поквартирной системы теплоснабжения доступны и постоянно совершенствуются. Практика показывает: строгое соблюдение требований безопасности исключает риск возникновения аварийных ситуаций.
Сравнительная оценка централизованной, автономной и поквартирной систем
Сравнительную оценку систем теплоснабжения начнем с коэффициента энергетической эффективности (КЭЭ). Общий КЭЭ определяется формулой, приведенной на рис. 2. Для расчета КЭЭ автономного теплоснабжения необходимо отбросить транспортные сети от источника генерации теплоты до узла ввода к конечному потребителю, оставив для расчета оборудование КЭЭ генерации теплоты на источнике и КЭЭ системы потребления. Расчетный КЭЭ для поквартирного теплоснабжения будет определяться только с учетом энергоэффективности оборудования генерации теплоты на источнике.
Рис. 2. Коэффициент энергетической эффективности
Даже при условии нового строительства инженерных систем КЭЭ для централизованного теплоснабжения на районных или квартальных схемах котельных не превысит 0,75. Перемножение двух показателей для автономного теплоснабжения АИТ даст примерно 0,85, а КЭЭ поквартирной системы составит 0,9-0,92.
Рассмотрим сравнительную диаграмму энергетической эффективности трех систем: централизованной, автономной и поквартирной (рис. 3).
Рис. 3. Сравнительная диаграмма энергетической эффективности
На диаграмме наглядно видно, что даже с учетом вновь возводимых инженерных систем устаревших технологий поквартирная система на сегодняшний день наиболее энергетически эффективна. Ее потери связаны только с теплом уходящих газов. Для автономной системы это также потери распределения, связанные с несовершенством внутридомовых инженерных систем.
Сравнительная оценка потребления топлива (газа) показывает, что удельный его расход на единицу потребляемой теплоты (кг/Гкал) для поквартирной системы теплоснабжения – наиболее низкий (рис. 4).
Рис. 4. Сравнительная оценка потребления топлива (газа)
В городе Серпухов Московской области по нашему проекту был построен экспериментальный десятиэтажный дом с поквартирной системой теплоснабжения и вынесенными за пределы квартир счетчиками, расположенными в вентилируемых шкафах, к которым обеспечен легкий и быстрый доступ (рис. 5). В результате расходы на теплоснабжение потребителей, проживающих в этом доме, сократились в 2,5-3 раза по сравнению с теми, кто проживал в соседних домах с централизованным теплоснабжением. Это подтверждено практическим опытом массового жилого строительства в Белгороде и Республике Татарстан.
Рис. 5. Дом в Серпухове с поквартирным теплоснабжением
Теперь обратимся к инвестиционным затратам на модернизацию систем теплоснабжения существующего жилого фонда. Сравнительные расчеты показали, что поквартирная система теплоснабжения обходится дороже, чем централизованная и автономная (рис. 6).
Рис. 6. Инвестиционные затраты на модернизацию систем теплоснабжения (руб./м2)
В этой связи представляется интересным опыт Республики Татарстан. В 1997 году ситуация с централизованным теплоснабжением привела здесь к необходимости срочной модернизации и реконструкции тепловых пунктов, а также к изменению подхода к строительству котельных. Было принято решение все деревни, поселки городского типа и малые города перевести на базу поквартирного теплоснабжения.
Фонд газификации, энергосберегающих технологий и развития инженерных сетей РТ принял на себя бремя инвестиционной составляющей в рамках «Программы по переходу на поквартирную систему отопления, установке блочно-модульных котельных в городах и районах Республики Татарстан».
На рис. 7 представлена сравнительная оценка стоимости услуг отопления и ГВС (на примере двухкомнатной квартиры) на период 6 лет. В основе этих расчетов лежат результаты работы Фонда по реализации программы внедрения системы поквартирного теплоснабжения для существующего жилого фонда.
Рис. 7. Сравнительная оценка стоимости услуг отопления и ГВС
Как видим, через пять лет инвестиции в программу полностью окупились. Стоимость услуг на выработку тепла постепенно начала снижаться. Результат этой программы – оптимальное использование газа и перевод населения на новую систему теплоснабжения без увеличения существующего тарифа, с включением в него инвестиционной составляющей на срок окупаемости.
Приведу примеры домов с крышными и пристроенными котельными (рис. 8 и 9), выполненными ООО «СанТехПроект», специалисты которого сохранили школу и продолжают традиции института «СантехНИИпроект».
Рис. 8. Примеры домов с крышной и пристроенной котельными
Рис. 9. Примеры домов с крышной котельной
В доме, изображенном справа на рис. 8 и расположенном в московском микрорайоне Куркино, мы впервые в России применили комплексную программу автономного теплоснабжения. Всего в Куркино создано порядка 40 таких котельных для жилых и общественных зданий.
Для сохранения архитектурного единства здания трубы от котлов были встроены в специальные ниши. Этот экспериментальный проект был удостоен национальной экологической премии 2005 года и премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники в 2009 году.
На рис. 9 приведены крышная котельная в комплексе Москва-Сити мощностью 14 МВт (слева) и самая высокая в Европе котельная на крыше башни «Исеть» в Екатеринбурге (справа).
Что мешает развитию децентрализованного теплоснабжения в России?
Результаты наших исследований показали, что АИТ, интегрированные в здания, позволяют диверсифицировать централизованную систему теплоснабжения, выступают альтернативным и эффективным вариантом модернизации действующей СЦТ на базе котельных. Исключение затрат на тепловые сети повышает инвестиционную привлекательность такой модернизации, поскольку позволяет включить инвестиционную составляющую в действующий тариф со сроком окупаемости инвестиций от трех до семи лет.
Главное препятствие развитию АИТ состоит в том, что при выборе схемы теплоснабжения альтернативные схемы не рассматриваются на равных условиях с традиционными. В законе такой порядок не предусмотрен, а теплоснабжающие организации придумывают обходные пути, чтобы затормозить эти процессы.
Проектно-инжиниринговое бюро ООО «СанТехПроект» провело оценку рынка по всей стране и выяснило, что размер расходов на модернизацию и реконструкцию систем теплоснабжения существующего жилого фонда с его переводом хотя бы на 30% на поквартирное теплоснабжение сопоставимы с объемом субсидий и льгот населению на коммунальные услуги (рис. 10).
Рис. 10. Оценка рынка
Выполнение такой программы позволит ликвидировать безвозвратные потери бюджета на субсидии и льготы и вернуть инвестиции за 5-6 лет, тогда как инвестиции в СЦТ практически не окупаются.
С целью обеспечения нормативной базы проектирования инновационной технологии теплоснабжения на базе АИТ специалисты ООО «СанТехПроект» разработали и выпустили следующие нормативные документы:
Следующий важный шаг – принятие на региональном или федеральном уровне закона, в котором будет прописана возможность для жильцов большинством голосов выбирать для своего дома ту систему теплоснабжения, которую они считают оптимальной, а также включение в закон «О теплоснабжении» положения о равноправном рассмотрении и технико-экономическом и экологическом сравнении традиционных и альтернативных систем теплоснабжения.
Альберт Шарипов,
генеральный директор ООО «СанТехПроект»,
заслуженный строитель России,
лауреат премии Правительства РФ
Видео выступления, посвященного затронутым в статье темам, смотрите на канале nanoCAD в YouTube: «>
или на сайте информационно-поисковой системы NormaCS: https://www.normacs.info/articles/830.Децентрализованные системы теплоснабжения
К.т.н. А.В. Мартынов, доцент,
кафедра «Промышленные теплоэнергетические системы»,
Московский энергетический институт (ТУ)
(доклад на второй научно-практической конференции «Системы теплоснабжения. Современные решения», г. Звенигород, 16-18 мая 2006 г.).
Децентрализованные потребители, которые из-за больших расстояний от ТЭЦ не могут быть охвачены централизованным теплоснабжением, должны иметь рациональное (эффективное) теплоснабжение, отвечающее современному техническому уровню и комфортности.
Масштабы потребления топлива на теплоснабжение весьма велики. В настоящее время теплоснабжение промышленных, общественных и жилых зданий осуществляется примерно на 40+50% от котельных, что является не эффективным из-за их низкого КПД (в котельных температура сгорания топлива составляет примерно 1500 ОС, а тепло потребителю выдается при существенно более низких температурах (60+100 ОС)).
Таким образом, нерациональное использование топлива, когда часть тепла вылетает в трубу, приводит к истощению запасов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
Постепенное истощение запасов топливно-энергетических ресурсов в европейской части нашей страны потребовало в свое время развития топливно-энергетического комплекса в ее восточных районах, что резко увеличило затраты на добычу и транспорт топлива. В этой ситуации необходимо решить важнейшую задачу по экономии и рациональному использованию ТЭР, т.к. запасы их ограничены и по мере их уменьшения стоимость топлива будет неуклонно расти.
В связи с этим эффективным энергосберегающим мероприятием является разработка и внедрение децентрализованных систем теплоснабжения с рассеянными автономными источниками тепла.
В настоящее время наиболее целесообразным являются децентрализованные системы теплоснабжения, базирующиеся на нетрадиционных источниках тепла, таких как: солнце, ветер, вода.
Ниже рассмотрим только два аспекта вовлечения нетрадиционной энергетики:
• теплоснабжение на базе тепловых насосов;
• теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов.
Теплоснабжение на базе тепловых насосов
К достоинствам децентрализованных тепловых систем относится повышенная надежность теплоснабжения, т.к. они не связаны тепловыми сетями, которые в нашей стране превышают 20 тыс. км, причем большая часть трубопроводов находится в эксплуатации сверх нормативного срока службы (25 лет), что приводит к авариям [1]. Кроме этого, строительство протяженных теплотрасс сопряжено со значительными капитальными затратами и большими потерями тепла. Тепловые насосы по принципу действия относятся к трансформаторам тепла, в которых изменение потенциала тепла (температуры) происходит в результате подведенной извне работы 3.
Энергетическая эффективность тепловых насосов оценивается коэффициентами трансформации, учитывающими полученный «эффект», отнесенный к затраченной работе и КПД.
называют коэффициентом преобразования или трансформации тепла, который для ТН всегда больше 1. Некоторые авторы называют этот коэффициент КПД, но коэффициент полезного действия не может быть больше 100%. Ошибка здесь в том, что тепло Qв (как неорганизованная форма энергии) делится на Nэл (электрическую, т.е. организованную энергию) [8].
Так как тепло всегда связано с температурой, при которой это тепло получается, то следовательно работоспособность (эксергия) тепла зависит от температурного уровня T и определяется:
Для каждого теплового насоса эти показатели равны:
1. Коэффициент трансформации тепла:
Для реальных ТН коэффициент трансформации составляет μ=3-!-4, в то время как η=30-40%. Это означает, что на каждый затраченный кВт.ч электрической энергии получается QB=3-i-4 кВт.ч тепла. Это является основным преимуществом ТН перед другими способами получения тепла (электрический нагрев, котельная и т.п.).
За несколько последних десятков лет во всем мире резко возросло производство тепловых насосов, но в нашей стране ТН до настоящего времени не нашли широкого применения.
Причин здесь несколько.
1. Традиционная ориентация на централизованное теплоснабжение.
2. Неблагоприятное соотношение между стоимостью электроэнергии и топлива.
3. Изготовление ТН проводится, как правило, на базе наиболее близких по параметрам холодильных машин, что не всегда приводит к оптимальным характеристикам ТН. Проектирование серийных ТН на конкретные характеристики, принятое за рубежом, существенно повышает как эксплуатационные, так и энергетические характеристики ТН.
Выпуск теплонасосного оборудования в США, Японии, ФРГ, Франции, Англии и других странах базируется на производственных мощностях холодильного машиностроения. ТН в этих странах применяются, в основном, для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилищного, торгового и промышленного секторов.
В промышленности тепловые насосы утилизируют низкопотенциальное тепло производственных процессов. Анализ возможности применения ТН в промышленности, проведенный на предприятиях 100 шведских компаний, показал, что наиболее подходящей сферой для применения ТН являются предприятия химической, пищевой и текстильной промышленности.
В нашей стране вопросами применения ТН начали заниматься с 1926 г. [2]. В промышленности с 1976 г. работали ТН на чайной фабрике (г. Самтредия, Грузия) [4], на Подольском химико-металлургическом заводе (ПХМЗ) с 1987 г. [6], на Сагареджойском молочном комбинате, Грузия, в подмосковном молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» с 1963 г. Кроме промышленности ТН в то время начали применяться в торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в жилом доме (пос. Бу-курия, Молдова), в пансионате «Дружба» (г. Ялта), климатологической больнице (г. Гагра), курортном зале Пицунды.
В России в настоящее время ТН изготавливаются по индивидуальным заказам различными фирмами в Нижнем Новгороде, Новосибирске, Москве. Так, например, фирмой «Тритон» в Нижнем Новгороде выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до 2000 кВт с мощностью компрессоров Nэл от 3 до 620 кВт.
В качестве низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) для ТН наибольшее распространение находит вода и воздух. Отсюда наиболее часто применяемыми схемами ТН являются «вода-воздух» и «воздух-воздух». По таким схемам ТН выпускают фирмы: «Сагriг«, «Lеnnох», Westinghous», «General Electrik» (США), «Нitachi», «Daikin» (Япония), «Sulzer» (Швеция), «ЧКД» (Чехия), «Klimatechnik» (Германия). В последнее время в качестве НПИТ используют сбросные промышленные и канализационные стоки.
В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТН совместно с традиционными источниками тепла. При этом в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса (80-90% годового потребления), а пиковые нагрузки (при низких температурах) покрываются электрокотлами или котельными на органическом топливе.
Применение тепловых насосов приводит к экономии органического топлива. Это особенно актуально для удаленных регионов, таких как северные районы Сибири, Приморья, где имеются гидроэлектростанции, а транспортировка топлива затруднена. При среднегодовом коэффициенте трансформации м=3-4 экономия топлива от применения ТН по сравнению с котельной составляет 30-5-40%, т.е. в среднем 6-5-8 кг у.т./ГДж. При увеличении м до 5, экономия топлива возрастает примерно до 20+25 кг у.т./ГДж по сравнению с котельными на органическом топливе и до 45+65 кгу.т./ГДж по сравнению с электрокотлами.
Таким образом, ТН в 1,5-5-2,5 раза выгоднее котельных. Стоимость тепла от ТН примерно в 1,5 раза ниже стоимости тепла от централизованного теплоснабжения и в 2-5-3 раза ниже угольных и мазутных котельных.
Одной из важнейших задач является утилизация тепла сбросной воды тепловых электростанций [10]. Важнейшей предпосылкой внедрения ТН являются большие объемы тепла, выбрасываемые в градирни. Так, например, суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период с ноября по март отопительного сезона составляет 1600-5-2000 Гкал/ч. С помощью ТН можно передать большую часть этого сбросного тепла (около 50-5-60%) в теплосеть. При этом:
• на производство этого тепла не надо затрачивать дополнительное топливо;
• улучшилась бы экологическая обстановка;
• за счет снижения температуры циркуляционной воды в конденсаторах турбин существенно улучшится вакуум и повысится выработка электроэнергии.
Масштабы внедрения ТН только в ОАО «Мосэнерго» могут быть весьма значительны и применение их на «сбросном» тепле гради-
рен может достигать 1600-5-2000 Гкал/ч. Таким образом, применение ТН на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшение вакуума), но и экологически (реальная экономия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов топлива и капитальных затрат) [10]. Все это позволит в тепловых сетях увеличить присоединенную нагрузку.
Рис.1. Принципиальная схема системы теплоснабжения ВТГ:
Теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов
Автономные водяные теплогенераторы (АТГ) предназначены для получения нагретой воды, которая используется для теплоснабжения различных промышленных и гражданских объектов.
АТГ включает в свой состав центробежный насос и специальное устройство, создающее гидравлическое сопротивление. Специальное устройство может иметь различную конструкцию, эффективность работы которой зависит от оптимизации режимных факторов, определяемых НОУ-ХАУ-разработками.
Одним из вариантов специального гидравлического устройства является вихревая труба, включаемая в систему децентрализованного теплоснабжения, работающая на воде [12].
Применение системы децентрализованного теплоснабжения весьма перспективно, т.к. вода, являясь рабочим веществом, используется непосредственно для отопления и горячего во-
доснабжения, тем самым делая эти системы экологически чистыми и надежными в эксплуатации. Такая децентрализованная система теплоснабжения была смонтирована и испытана в лаборатории Основ трансформации тепла (ОТТ) кафедры Промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) МЭИ.
Система теплоснабжения состоит их центробежного насоса, вихревой трубы и стандартных элементов: батареи и калорифера. Указанные стандартные элементы являются неотъемлемыми частями любых систем теплоснабжения и поэтому их наличие и успешная работа дают основания утверждать о надежной работе любой системы теплоснабжения, включающей эти элементы.
На рис. 1 представлена принципиальная схема системы теплоснабжения. Система заполнена водой, которая, нагреваясь, поступает в батарею и калорифер. Система снабжена переключающей арматурой (трехходовыми кранами и вентилями), которая позволяет осуществлять последовательное и параллельное включение батареи и калорифера.
Работа системы осуществлялась следующим образом. Через расширительный бачок система заполняется водой таким образом, чтобы из системы был удален воздух, что затем контролируется по манометру. После этого на шкаф блока управления подается напряжение, задатчиком температуры устанавливается температура воды, подаваемой в систему (50-5-90 ОС), и включается центробежный насос. Время выхода на режим зависит от заданной температуры. При заданной tв=60 ОС время выхода на режим составляет t=40 мин. Температурный график работы системы представлен на рис. 2.
Пусковой период системы составил 40+45 мин. Темп повышения температуры составил Q=1,5 град/мин.
Центробежный насос был установлен на легкой передвижной подставке, изготовление которой можно осуществить в любой мастерской. Остальное оборудование (батарея и калорифер) стандартное, приобретаются в специализированных торговых фирмах (магазинах).
Арматура (трехходовые краны, вентили, уголки, переходники и т.д.) также приобретаются в магазинах. Система смонтирована из пластиковых труб, сварка которых осуществлялась специальным сварочным агрегатом, который имеется в лаборатории ОТТ.
Разность температур воды в прямой и обратной магистралях составила примерно 2 ОС (Δt=tnp-to6=1,6). Время работы центробежного насоса ВТГ составляло в каждом цикле 98 с, паузы длились по 82 с, время одного цикла равнялось 3 мин.
Система теплоснабжения, как показали испытания, работает устойчиво и в автоматическом режиме (без участия обслуживающего персонала) поддерживает первоначально заданную температуру в интервале t=60-61 ОС.
Система теплоснабжения работала при последовательном по воде включении батареи и калорифера.
Эффективность системы оценивается:
1. Коэффициентом трансформации тепла
2. Коэффициентом полезного действия
При затраченной электроэнергии W=2 кВт.ч, количество произведенного тепла за этот период составило 20=3816,8 ккал. Коэффициент трансформации равен: μ=3816,8/1720=2,22.
КПД равен [13]η=μτ =2,22.0,115=0,255 (
Из энергетического баланса системы видно, что дополнительное количество теплоты, выработанное системой, составляло 2096,8 ккал. На сегодняшний день существуют различные гипотезы, пытающиеся объяснить, как появляется дополнительное количество теплоты, но однозначного общепризнанного решения нет.
2. Использование децентрализованных систем теплоснабжения позволяет существенно сократить вредные выбросы от сгорания топлива в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку.
3. Использование тепловых насосов в системах децентрализованного теплоснабжения для объектов промышленного и гражданского секторов позволяет по сравнению с котельными экономить топливо в количестве 6+8 кг у.т. на 1 Гкал выработанного тепла, что составляет примерно 30-5-40%.
4. Децентрализованные системы на базе ТН успешно применяются во многих зарубежных странах (США, Япония, Норвегия, Швеция и др.). Изготовлением ТН занимаются более 30 фирм.
5. В лаборатории ОТТ кафедры ПТС МЭИ смонтирована автономная (децентрализованная) система теплоснабжения на базе центробежного водяного теплогенератора.
Система работает в автоматическом режиме, поддерживая температуру воды в подающей магистрали в любом заданном интервале от 60 до 90 ОС.
Коэффициент трансформации тепла системы составляет м=1,5-5-2, а КПД равен около 25%.
6. Дальнейшее повышение энергетической эффективности децентрализованных систем теплоснабжения требует проведения научно-технических исследований с целью определения оптимальных режимов работы.
1. Соколов Е. Я. и др. Прохладное отношение к теплу. Известия от 17.06.1987.
2. Михельсон В. А. О динамическом отоплении. Прикладная физика. Т.III, вып. З-4, 1926.
5. Мартынов А. В., Петраков Г. Н. Двухцелевой тепловой насос. Промышленная энергетика № 12, 1994.
6. Мартынов А. В., Яворовский Ю. В. Использование ВЭР на предприятиях химической промышленности на базе ТНУ. Химическая промышленность № 4, 2000.
11. Мартынов А.В., Бродянский В.М. «Что такое вихревая труба?». М.: Энергия, 1976.
12. Калиниченко А.Б., Куртик Ф.А. Теплогенератор с самым высоким КПД. // «Экономика и производство», № 12, 1998.
13. Мартынов А.В., Янов А.В., Головко В.М. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора. // «Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века», № 11, 2003.
От редакции: На второй научно-практической конференции «Системы теплоснабжения. Современные решения», которую уже традиционно проводит Некоммерческое Партнерство «Российское теплоснабжение», после ряда докладов, посвященных вихревым генераторам тепла, развернулась жаркая дискуссия. Собравшиеся пришли к выводу, что получение тепла в количестве, превышающем затраченную электроэнергию, свидетельствует о том, что современная наука еще не может указать источник этой энергии и его природу, а значит, пользоваться этим явлением следует с крайней осторожностью, т.к. влияние этой установки на окружающую среду и людей не изучены.
Это подтверждается и современными исследованиями. Например, на международной конференции «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы создания нетрадиционных источников энергии», состоявшейся 15-16 июня 2005 г. в Харькове, несколько групп исследователей из разных городов Украины сообщили, что они обнаружили радиационное излучение, создаваемое вихревым теплогенератором.
Так, например, специалисты Института технической теплофизики НАН Украины обнаружили участок на торце вихревой трубы с повышенным (в 1,3-1,9 раза) гамма-излучением по сравнению с фоновым значением. Информация о данном эксперименте была также опубликована в журнале «Промышленная теплотехника» (Киев) № 6, 2002 г. в статье Халатова А.А., Коваленко А.С., Шевцова С.В. «Определение коэффициента преобразования энергии в вихревом теплогенераторе типа ТПМ 5,5-1». Авторами статьи отмечено, что природа этого излучения пока не совсем понятна и требует дальнейшего изучения.