ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ
Эффективность дублирования традиционных теплогенераторов, использующих органическое топливо или электроэнергию теплонасосными системами доказана их широкомасштабным внедрением во всём мире. Украина только приступает к освоению таких технологий. В настоящее время на свободный украинский рынок устремились десятки иностранных фирм, производящих теплонасосное оборудование. Однако, производство тепловых насосов в мире подчинено прежде всего конкретным интересам стран-производителей. При этом учитываются не только климатические особенности, но и уровень применяемых строительных технологий, архитектурно-планировочных и инженерных решений, уровень технологий при производстве теплонасосного оборудования, потребности рынка и другие факторы. Поэтому, кажущаяся простота использования импортного оборудования и слепое копирование иностранных проектов для условий Украины могут привести не только к неоптимальным решениям, но и вообще дискредитировать саму идею внедрения теплонасосных технологий.
Оптимизация энергоэффективности любой системы означает вариации её структуры и параметров с целью минимизации капитальных и эксплуатационных затрат при существующих технических и ресурсных ограничениях, обеспечения защиты окружающей среды. В настоящее время нет единого интегрального показателя энергетического и экономического совершенства теплонасосных систем. Для характеристики экономичности систем теплоснабжения наиболее часто пользуются следующими параметрами:
- суммарные затраты при заданных тепловых нагрузках;
- потребление традиционных органических энергоносителей;
- сроки ввода систем в эксплуатацию;
- количество вредных выбросов в окружающую среду;
- сроки энергетической амортизации оборудования.
Однако с помощью традиционных технико-экономических методов невозможно оценить «качество» производимого тепловыми насосами тепла, выполнить оптимизацию работы теплонасосной системы с учетом сезонного колебания температур источника энергии и переменных тепловых нагрузок. Использование стоимостных показателей не позволяет осуществлять долгосрочное прогнозирование.
В современных условиях только использование методов эксергоэкономики позволит найти пути повышения эффективности систем теплоснабжения. Как известно, эксергия является физическим, а не экономическим критерием и не зависит от коньюктурных колебаний цен. Она характеризует качество энергии и показывает, в какой степени заданная энергия может быть преобразована в другие виды энергий.
В таблице 1 представлены качественные показатели различных видов энергии.
| Форма энергии | Качественный индекс энергии (эксергетический фактор) |
| 1. Потенциальная энергия | 1 |
| 2. Кинетическая энергия | 1 |
| 3. Электрическая энергия | 1 |
| 4. Ядерная энергия | ~1 |
| 5. Химическая энергия | 0,95 |
| 6. Энергия солнечного излучения | 0,93 |
| 7. Энергия теплого пара | 0,6 |
| 8. Энергия горячей воды | 0,3 |
| 9. Энергия сбросного тепла | 0,05 |
| 10. Энергия тепловой радиации Земли | 0 |
Таблица 1. Качество форм энергии
В промышленной и коммунальной теплоэнергетике, как правило, используются источники тепловой энергии, температура и эксергия потоков рабочих веществ которых достаточно высоки. При этом эксергия первичного источника значительно превышает эксергию, которая требуется низкотемпературному потребителю (отопление, горячее водоснабжение). Значительная часть первичной эксергии вследствие этого теряется из-за необратимости процессов, что приводит к снижению эффективности.
В настоящее время и для оптимизации теплонасосных систем в качестве обобщающей термодинамической характеристики выбирается эксергия. Эксергия характеризует энергию любого вида не только по её количеству, но и даёт возможность количественно оценить её качественную сторону и определить пригодность для технического применения в зависимости от внешних условий. Известно, что в зависимости от внешних условий эксергия имеет разную ценность для практического использования. Важно всегда оценивать, сколько энергии и какого качества понадобится для того, чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения.
Анализ работы парокомпрессионной теплонасосной системы показывает, что затраты электрической энергии на привод двигателей компрессоров, насосов, вентиляторов, расход теплоносителя источника низкопотенциальной теплоты и величины теплопередающих поверхностей теплообменных аппаратов, производительность компрессоров, насосов и вентиляторов зависят от режимов работы установки, а значит от температурных напоров в теплообменных аппаратах и от изменения температур низкопотенциального теплоносителя и нагреваемой среды. Следовательно, экономические параметры ТНС будут являться функцией перечисленных выше параметров и энергетических процессов, происходящих в отдельных элементах системы. Вычисления значений экономических показателей для конкретных условий путём решения системы уравнений позволяет легко определить влияние каждого из параметров теплонасосной системы на стоимость получаемой от неё теплоты, в заданных условиях. Такой алгоритм технико-экономического анализа применения теплонасосной системы сложен и применять его в каждом конкретном случае нецелесообразно, так как выводы сделанные на основе эксергетического анализа имеют общий характер для систем климатизации определённого вида, работающих в конкретных условиях окружающей среды.
Практические рекомендации сделанные на основе эксергетического анализа состоят в следующем:
1. Не нужно стремиться добиваться от одной единицы теплотехнического обрудования запредельных параметров. Более эффективно решать задачу поэтапно, на каждом из которых использовать оптимальную технологию и техническое оборудование.
2. Перепад температур между теплохладоносителем и объектом климатизации желательно выбирать в пределах 15 – 20 оС.
3. В системах, в которых температура теплоносителя требуется не выше 100 оС целесообразно применять в качестве теплоносителя жидкость, а не пар. Нагрев жидкости устройствами прямого электронагрева (электрокотел, ТЭН) является наименее эффективным.
4. Необходимо учитывать следующее соотношение: один кДж работы, произведенный электрическим устройством, примерно втрое дороже такого же кДж тепла, содержащегося в первичном органическом топливе.
5. Калория промышленного холода, вырабатываемого на производстве, в среднем в 6 раз дороже, чем 1 калория тепловой энергии.
6. Самый дешевый холод – природный. Зимой это воздух, лёд, ледяная вода, летом это вода из артезианских скважин и грунт на глубине более 1,5 метров.
7. Водоиспарительное охлаждение с обдувом увлажнённой теплообменной поверхности воздухом в 2-5 раз эффективнее распространённого воздушного охлаждения.
8. Теплонасосные системы, использующие сбросное тепло, производят тепловую энергию низкого потенциала (температура около 45 оС), при этом оно примерно в три раза дешевле его получения другими способами.
9. Традиционные технические решения по выработке тепла, холода и электроэнергии в Украине, как правило, энергорасточительны, поэтому не стоит доверять словесным рекламным заверениям о фантастической окупаемости мероприятий.
Оценка эффективность работы теплового насоса должна производиться только при рассмотрении его как элемента системы электрогенерирующая станция – тепловой насос – потребитель тепловой энергии. Только в составе такой системы, тепловой насос имеет реальную энергоэффективность, которая зависит не только от энергетических параметров её элементов, но и от затрат энергии на производство самого теплонасосного оборудования и на топливо, затрачиваемое при работе системы. Такая комплексная оценка работы теплонасосной системы, выполненная на стадии выбора условий её использования позволяет также обеспечить заданный срок окупаемости.
СОЦИАЛЬНЫЙ ФАКТОР ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ
При принятии решения о целесообразности использования теплонасосных систем в системах климатизации необходимо также учитывать и социальный фактор. Энергетика не самостоятельная и не самодостаточная часть общества и нужна она не сама по себе, а только лишь в связи и в меру решения общих человеческих проблем. Увеличение количества энергии потребляемой обществом должно смениться улучшением использования качества энергии. Прежде всего, в обществе должно прекратиться растранжирование высококачественной энергии. Общество должно осознать, что энергия органических соединений, накопленная за время существования жизни на Земле, не бесконечна и не должна переводиться в тепло путём сжигания, а использована более разумно.
Главной задачей, которую решает общество при переходе к использованию возобновляемых источников энергии является удовлетворение потребности современной экономики в энергии, обеспечение всему населению доступ к энергии по низким ценам и сделать это без ущерба для своего устойчивого развития.
В большинстве случаев природа поставляет нам энергию не в той форме, в какой она нужна для наших конкретных целей. Поэтому люди вынуждены преобразовывать имеющуюся в их распоряжении энергию. Необходимо найти носители энергии, которые наиболее пригодны для реализации идей. Во многих странах мира значительная часть энергоресурсов используется исключительно для противостояния неблагоприятным природным условиям и ничего не добавляет ни к богатству страны, ни к благосостоянию её отдельного индивидуума. Природные условия, и прежде всего климат, также составляют экономический ресурс любого государства.
Поскольку природные ресурсы небезграничны, для обеспечения устойчивого развития экономики нужно следовать трём простым правилам:
1. Возобновляемые ресурсы (почва, вода, леса, животные, рыбы) не должны использоваться с большей интенсивностью, чем это позволяет скорость их восстановления.
2. Невозобновляемые источники энергии не должны использоваться с большей интенсивностью, чем темпы появления альтернативных возобновляемых источников энергии, используемых в режиме устойчивого развития.
3. Загрязнители не должны производиться в большем объёме, чем это позволяют возможности их вторичного использования, нейтрализации или поглощения природой.
В настоящее время эти три правила устойчивого развития не соблюдаются. Следовательно, человечество непременно упрётся в проблему нехватки природных ресурсов. Вопрос только в том, когда.
Направление экономики страны по пути устойчивого, с точки зрения окружающей среды и климата, развития возможно только путём расширения доступа к современным энергетическим услугам. Резкие изменения цен на энергоносители закрывают доступ к энергетическим услугам бедных слоёв населения, лишают их самых базовых экономических возможностей позволяющих повышать качество своей жизни.
Поэтому обеспечение доступа к надёжным услугам современной энергетики является первостепенной задачей.
Промышленное использование возобновляемых источников энергии позволит успешно решить эту проблему, так как:
- появляется возможность реализации более справедливого доступа к энергии, так как изобилие солнца, ветра и избыточной биомассы более распространено и доступно, чем запасы нефти, угля или урана;
- упрощается управление системами теплоснабжения (включение и выключение) в отличие от многоступенчатых этих операций в топливной и атомной энергетике, что существенно сказывается на их энергоэффективности;
- не требуется дополнительных систем безопасности;
- исчезают затраты на ликвидацию негативных экологических последствий их работы.