Современное состояние и перспективы использования низкопотенциального тепла в народном хозяйстве (обзорная статья)



В работе рассматривается проблема энергосбережения в теплоэнергетике. Дано определение низкопотенциального тепла, его современное состояние, а также перспективы использования в сфере народного хозяйства.

Ключевые слова: низкопотенциальная энергия, сбросное тепло, низкопотенциальное тепло, тепловые насосы, пассивный дом, энергосбережение

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) представляет собой основу народного хозяйства страны. Надежное функционирование топливно-энергетических систем, внедрение новой техники и технологий, передовых научных достижений — необходимые условия для прогрессивного развития государственной экономики.

Кризисное состояние экономики России в последнее десятилетие неразрывно связано с состоянием ТЭК. Топливно-энергетический комплекс представляет собой основу энергетики страны и объединяет отрасли промышленности, которые обеспечивают народное хозяйство топливом и энергией.

За последние годы на предприятиях страны отмечалось снижение объемов производства при одновременном повышении удельных расходов различных видов энергоресурсов. Низкая энергетическая эффективность признана одной из главных причин энергетического кризиса. [1–2]

Действовавшая система хозяйствования в СССР до его распада характеризовалась слабой восприимчивостью к научно-техническому прогрессу, носила энерго- и ресурсорасточительный характер. Однако в результате распада прежней социально-экономической системы, зарождающиеся рыночные отношения ускорили процессы энергосбережения в экономике России. В большой энергетике стали появляться новые типы генерирующих установок, современное оборудование, увеличение их автоматизации и оптимизации. В малой энергетике политика энергосбережения стала увеличиваться за счет развития нетрадиционных видов энергетики. К таковым можно отнести, например, солнечную, ветровую, приливную и геотермальную энергию. [3–4]

Проблемы энергосбережения

На сегодняшний день актуальной проблемой на множестве предприятий остается утилизация вторичных энергетических ресурсов. Большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется «сбросным теплом».

Чаще всего сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды. Его выделяют как техногенные системы, созданные людьми, так и источники естественного происхождения. Низкопотенциальная энергия — это энергия более холодной окружающей среды, атмосферы и воды имеющей такое же давление как имеет и преобразователь энергии потребителя. Высокопотенциальная энергия — это та энергия, потенциал которой выше потенциала потребителя (точнее потенциала преобразователя, который экстрагирует энергию из окружающей среды для потребителя). Принципиальное различие низкопотенциальной тепловой энергии от высокопотенциальной в том, что она имеет потенциал, который ниже потенциала преобразователя, экстрагирующего энергию из окружающей среды для потребителя. Источниками низкопотенциальной энергии являются естественные источники тепла: земля, вода, воздух; или искусственные источники (вторичные энергетические ресурсы), т. е. тепловые отходы (промышленные сбросы, бытовые тепловыделения, удаляемый вентиляционный воздух). [5–6]

Одной из основных проблем использования низкопотенциальной тепловой энергии в народном хозяйстве является её транспортировка. Часть тепловой энергии в процессе транспортировки теряется — уходит через тепловую изоляцию труб (изоляция не может быть идеальной). Эти потери являются технологическими (неизбежными), они не могут быть устранены полностью, хотя могут быть уменьшены за счет качественной изоляции труб, в том числе и заменой их на трубы из более совершенных материалов, что требует больших капиталовложений. Такая же ситуация возникает и с аккумулированием низкопотенциальной тепловой энергии. Процесс накапливания такой энергии совсем нерационален, т. к. возникают такие же потери, как и, например, при транспортировке [7].

Пути решения проблем энергосбережения

В настоящее время появляется все больше путей решения проблемы в сфере энергосбережения. Например, в России действует Государственная программа энергосбережения, принятая в 2010 году. К 2020 комплекс мероприятий данной программы должен снизить энергозатраты на 40 %. Опыт Германии, Дании и других европейских стран показывает, насколько важны государственные инициативы, и не только ужесточение и регламентация требований, но и стимулирующие потребителей и девелоперов. Например, в Германии действует программа кредитования для строительства энергоэффективных домов и покупки в них квартир с пониженными процентными ставками. В Дании любые теплоснабжающие компании, по итогам года получившие прибыль, в следующем году должны компенсировать ее за счет сокращения цены на отопление. Основными задачами энергосбережения в России сегодня можно назвать следующие направления:

– модернизация производства с внедрением энергоэффективных технологий и оборудования;

– повышение энергоэффективности зданий и сооружений;

– стимулирование потребителей к рациональному использованию электроэнергии за счет организационных и нормативных мер, тарифной политики, субсидирования повышения энергоэффективности объектов. [8]

Одним из наиболее эффективных современных направлений по экономии органического первичного топлива в системах теплоснабжения является применение теплонасосных установок, позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения. Тепловые насосы используют (утилизируют) рассеянное тепло естественного (тепловая энергия воды, воздуха, почвы) или техногенного происхождения (тепло промышленных и сточных вод, вентиляционных труб и дымовых газов, технологических процессов и т. д.). Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления и вентиляции. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная (рис.1). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии [9].

Рис. 1. «Схема работы теплового насоса»

В жилищно-коммунальной сфере одной из самых прогрессивных идей в области энергосбережения в настоящее время является строительство так называемых «пассивных домов» («энергосберегающих домов»).

Пассивный дом — это сооружение, основной особенностью которого является отсутствие необходимости отопления или малое энергопотребление — в среднем около 10 % от удельной энергии на единицу объёма, потребляемой большинством современных зданий. В большинстве развитых стран существуют собственные требования к стандарту пассивного дома. В условиях роста цен на электричество и тепло, остро стоит вопрос эксплуатационных затрат на жилье. Показателем энергоэффективности объекта служат потери тепловой энергии с квадратного метра (кВт·ч/м²) в год или в отопительный период. В среднем составляет 100–120 кВт·ч/м². Энергосберегающим считается здание, где этот показатель ниже 40 кВт·ч/м². Для европейских стран этот показатель ещё ниже — порядка 10 кВт·ч/м². Достигается снижение потребления энергии в первую очередь за счет уменьшения теплопотерь здания. Архитектурная концепция пассивного дома базируется на принципах: компактности, качественного и эффективного утепления, отсутствия мостиков холода в материалах и узлах примыканий, правильной геометрии здания, зонировании, ориентации по сторонам света. Из активных методов в пассивном доме обязательным является использование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией. [10]

Во всём мире к 2006 году построено более 6000 пассивных домов, офисных зданий, магазинов, школ, детских садов. Большая их часть находится в Европе. В ряде европейских стран (Дания, Германия, Финляндия и др.) разработаны специальные целевые государственные программы по приведению всех объектов регулярной застройки к условно-пассивному уровню (дома ультра-низкого потребления — до 30 кВт·ч/м² в год). В России энергопотребление в домах составляет 400–600 кВт·ч/год на квадратный метр. Этот показатель предполагается снизить к 2020 году на 45 %. В Москве уже построено несколько экспериментальных зданий с использованием технологии пассивного дома (жилой дом в Никулино-2). Демонстрационный проект такого дома также построен под Петербургом. Начато строительство первого посёлка пассивных домов под Санкт-Петербургом. С 2010 года экспериментальное строительство малоэтажных энергоэффективных домов для расселения ветхого и аварийного жилья финансирует Фонд ЖКХ. На начало 2011 года несколько энергоэффективных зданий с участием Фонда уже построено в разных регионах России. Первый сертифицированный пассивный дом построен в России в 2011 году компанией «Мосстрой-31» по проекту Томаса Кнехта. Удельный расход тепловой энергии на отопление составляет 24 кВт·ч/м²год. [11–12]

Заключение

В настоящее время проблема использования низкопотенциального тепла в народном хозяйстве велика. Это обусловлено невозможностью транспортировать и аккумулировать это тепло без особых капиталовложений. Основным способом использования такого тепла в настоящее время является применение тепловых насосов. Проблема энергосбережения в целом, на сегодняшний день, заметно уменьшается. Благодаря государственным программам, новым технологиям и опыту европейских стран, в нашей стране активно развивается принцип экономии энергии и тепла.

Литература:

1. Сотникова О. А., Мелькумов В. Н. Учебное пособие по теплоснабжению. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. — 296 с.
2. Энергетика России: взгляд в будущее (Обосновывающие материалы к Энергетической стратегии России на период до 2030 года). — М.: ИД «Энергия», 2010. — 616 с.
3. Данилов Н. И., Щелоков Я. М. Основы энергосбережения. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. — 564 с.
4. Городов Р. В. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. — 1-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. — 294 с.
5. Закиров Д. Г., Рыбин А. А. Использование низкопотенциальной теплоты. — Книга 1. — М.: РУСАЙНС, 2015. — 158 с.
6. Дзиндзела А. В., Сизякин А. В. Эффективное использование низкопотенциального тепла // Энергосбережение. — 2012. — № 1. — С. 24–31.
7. Слепченок В. С., Рондель А. Н., Шаповалов Н. Н. Влияние различных эксплуатационных факторов на тепловые потери в бесканальных подземных трубопроводах тепловой сети // Новости теплоснабженияе. — 2002. — № 6. — С. 73–79.
8. Саенко В. В. Энергетическая стратегия России до 2020 г. Пути повышения энергоэффективности // ТЭК. — 2004. — № 4. — С. 124–125.
9. Рэй Д., МакМайкл Д. Тепловые насосы. — М.: Энергоиздат, 1982. — 224 с.
10. Габриель И., Ладенер Х. Реконструкция зданий по стандартам энергоэффективного дома. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 478 с.
11. Файст В., Елохов А. Е. Основные положения по проектированию пассивных домов. — М.: АСВ, 2008. — 144 с.
12. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. — 200 с.