Перспективная система отопления малоэтажных зданий

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития находятся в числе приоритетных задач долгосрочной энергетической политики России.

В ее суровых климатических условиях (продолжительность отопительного периода по среднемноголетним данным колеблется от 22–25 недель на Юге страны до 40–45 и более недель на Севере) теплоснабжение — социально значимый и наиболее топливоемкий сектор экономики. В нем потребляется примерно 40% энергоресурсов, используемых в стране, а более половины этих ресурсов приходится на коммунально-бытовой сектор. В структуре используемого топлива около 3/5 приходится на газ, примерно 1/4 — на твердое топливо (уголь, дрова), остальное — на мазут.

Сектор теплоснабжения остро нуждается в разработке мер и технических решений, направленных на повышение его надежности, качества и экономичности. Системы централизованного теплоснабжения многих городов и населенных пунктов от ТЭЦ и котельных требуют реконструкции. По данным Минэнерго РФ, не менее 15% тепловых сетей из 183 тыс. км находится в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери в тепловых сетях достигают 30%, а с утечками теплоносителя ежегодно теряется более 0,25 куб. км воды. Около 80% общей протяженности тепловых сетей требуют капитального ремонта или полной замены.

В этой ситуации в России высокими темпами развивается использование децентрализованных источников теплоснабжения, что связано как с ростом числа жилых домов и общественных зданий в сельской местности, пригородах, малых городах и поселках городского типа, так и с переходом к индивидуальному теплоснабжению в городских зонах с критическими условиями функционирования систем централизованного теплоснабжения. В крупных мегаполисах, таких, как Москва и Санкт-Петербург, реконструкция старого жилья и возведение новых многоэтажных домов в густонаселенных районах, как правило, требуют существенного увеличения мощности тепловых сетей, что сопряжено с большими дополнительными капитальными затратами или оказывается технически невозможным, а строительство котельных в городской черте негативно сказывается на экологической обстановке.

С учетом вышеизложенного и новых экономических условий, в которых потребитель в ряде случаев вправе выбирать или создавать собственную систему энергоснабжения, актуальной становится разработка эффективных типовых технических решений теплоснабжения. Особенно это важно для автономных потребителей, не имеющих возможности или не желающих подключаться к централизованной системе теплоснабжения. Требуется разработка технически, энергетически и экологически совершенных схем теплоснабжения, позволяющих повышать надежность теплоснабжения и обеспечивать стоимость тепла на уровне, адекватном доходам населения.

В качестве первичных источников энергии для теплоснабжения в мире все более широко начинают использоваться экологически чистые возобновляемые источники энергии: солнечная энергия, энергия ветра, продукты переработки биомассы (древесные пеллеты и др.), геотермальные тепло-насосные установки, утилизирующие низкопотенциальное тепло грунта и грунтовых вод и др. Как правило, графики производства энергии с использованием этих первичных источников и графики потребления тепла существенно не совпадают, что обусловливает необходимость включения в систему теплоснабжения соответствующих аккумуляторов тепла.

В связи с тенденцией разуплотнения суточных графиков потребления сетевой электрической энергии в России все более активно применяется тарифное стимулирование потребления электроэнергии в часы «провала», и во многих районах страны с недостатком маневренных мощностей стоимость «ночной» электроэнергии устанавливается в несколько раз дешевле, чем «дневной». Так, в Москве ночной тариф (с 23:00 до 7:00) примерно в 2 раза ниже, чем дневной (с 7:00 до 23:00), а в некоторых регионах, например в Карелии, электроснабжение которых находится в зоне ответственности маломаневренных энергоблоков, различие в тарифах в зависимости от типа потребителей составляет 7–10 раз.

При таком соотношении тарифов использование «провальной» электроэнергии для теплоснабжения потребителей в ряде случаев оказывается конкурентоспособным, а также требует создания эффективных аккумуляторов тепла.

По данным Министерства регионального развития РФ, объем строительства малоэтажных зданий на территории нашей страны по общей площади превысил в 2010 г. объем ввода многоэтажных зданий. В соответствии с перспективными планами Правительства РФ до 2020 г. в строительной отрасли основной акцент будет сделан именно на малоэтажное (коттеджное) строительство практически во всех регионах России. В частности, «Новая Москва» по предложению Президента РФ будет преимущественно застраиваться такими зданиями.

Известно, что удельные затраты на отопление малоэтажных зданий несколько выше, чем для многоэтажных — из-за большего влияния чердачных и подвальных помещений. Кроме того, ряд коттеджных поселков располагается в местах, где нет (и зачастую не планируется) магистрального газа.

В связи с массовым строительством малоэтажных зданий, а также активизацией работы по экономии энергии (в соответствии с Федеральным законом №261-ФЗ от 29.11.2009 г. «Об энергосбережении и энергетической эффективности…») поиск рациональных систем отопления для таких зданий становится необычайно актуальным. Одной из самых перспективных систем отопления для коттеджного строительства, с учетом вышесказанного, признается в настоящее время электрическая, имеющая ряд неоспоримых преимуществ, в том числе:
- простота исполнения и надежность работы;
- относительная легкость регулирования температуры в помещениях;
- учет потребления электроэнергии и, соответственно, расчет с ее поставщиками достаточно прозрачны и понятны обеим сторонам;
- экологическая чистота в месте потребления;
- разнообразные и достаточно хорошо отработанные и проверенные возможности автоматизации и регулирования параметров микроклимата в помещениях.

Однако при проектировании и эксплуатации систем отопления малоэтажных зданий с использованием электроэнергии имеется и ряд значительных проблем, в том числе:
- постоянный рост стоимости электроэнергии;
- необходимость (во многих ситуациях) увеличения мощности подводящих электросетей, что, в свою очередь, приводит к необоснованным (зачастую) затратам собственников коттеджей;
- повышение затрат за счет оплаты стоимости дополнительной электрической мощности, необходимой для отоп-ления помещений, что во многих случаях не обосновано технически и экономически.

Несмотря на то, что массовая теплоемкость твердофазных материалов существенно уступает массовой теплоемкости воды, они имеют широкие возможности для эффективного использования в качестве теплоаккумулирующих веществ в тепловых аккумуляторах систем теплоснабжения. Использование в малоэтажном строительстве стационарных теплоаккумуляторов (СТЭ) на основе применения уникальных природных материалов (талькохлорита и талькокарбоната) позволит значительно повысить эффективность систем отоп-ления индивидуальных домовладений.

Применение СТЭ, использующих вырабатываемую в ночное время электроэнергию, имеет не только все преимущества отопления, основанного на применении электроэнергии, но и решает многие из возникающих при этом проблем. Стоимость электроэнергии, получаемой домовладениями в ночное время, в 2–8 раз (в зависимости от региона) ниже цены дневной электроэнергии и централизованного отоп-ления от котельных на твердом или жидком топливе.

Высокая теплостойкость многих твердых материалов позволяет в ряде случаев использовать возможность увеличения температурного диапазона для аккумулирования тепла, что, в свою очередь, позволяет повысить компактность теплового аккумулятора.

Для создания твердофазных тепловых аккумуляторов сегодня находит применение магнезит (карбонат магния), месторождения которого имеются в России на Урале, в Европе (Австрия, Словакия и др.), а также в других регионах земного шара. В промышленности магнезит широко используется для получения огнеупорных материалов, выдерживающих высокую температуру, в частности, для футеровки мартеновских печей в сталеплавильном производстве.

Привлекательным для использования в аккумуляторах тепла является также природный камень талькохлорит (смесь магнезита 40–50%, талька до 50% и хлорита до 8%). Месторождения талькохлорита находятся в Финляндии и в России (Карелия). Его физико-химические и другие свойства достаточно хорошо изучены. Он несколько уступает по объемной теплоемкости магнезиту, но имеет более высокую температуропроводность, выдерживает десятки тысяч циклов нагрева до температуры 1 200 °С с последующим охлаждением без существенного изменения механических свойств. В силу легкой обрабатываемости, долговечности и высоких теплотехнических свойств талькохлорит является прекрасным строительным и облицовочным материалом, обладающим высокой термической устойчивостью. В Карелии и в Прибалтике его широко используют для производства печей и каминов, создания теплых полов.

Стационарные СТЭ, выполненные из природного минерала «тальковый камень», прошедшего только механическую обработку, выгодно отличаются от теплоаккумуляторов, где рабочее тело выполнено на связующих. Тальковый камень экологически абсолютно чистый минерал.

Рис. 1. Требуемый объем ТАМ для аккумулирования 1 ГДж тепла в зависимости от разности температур: 1 — вода (при атмосферном давлении), 2 — магнезит, 3 — талькохлорит

На рис. 1 приведены зависимости требуемого объема теплоаккумулирующего материала (вода, магнезит, талькохлорит) для аккумулирования 1 ГДж тепловой энергии в зависимости от перепада температур, используемого для аккумулирования тепла. Данное количество тепла требуется для отопления современного дома площадью около 120 м2 в течение суток при характерных тепловых потерях 100 Вт/м2. В случае воды рассматривается бак-аккумулятор при атмосферном давлении. Соответственно, как отмечалось выше, температурный интервал ограничивается Т = 65 К. Видно, что в этом температурном диапазоне требующийся объем воды в расчете на 1 ГДж аккумулируемого тепла равен примерно 3,7 м3, в то время как магнезита — около 4,5 м3, а талькохлорита — 5,3 м3.

Однако в случае возможности повышения температурного диапазона (например, при использовании для отопления ночной «провальной» электроэнергии) требуемый объем твердофазных ТАМ может быть существенно снижен, и уже при Т = 300 К 1 ГДж тепла можно саккумулировать в объеме около 1 м3, а при Т = 600 К — 0,5–0,6 м3.

Следует вместе с тем учитывать, что с ростом Т для уменьшения тепловых потерь необходимо увеличивать толщину теплоизоляции аккумулятора, что препятствует снижению его габаритов, и в каждом конкретном случае при выборе расчетной Т необходим поиск компромисса. В то же время СТЭ могут решить ряд проблем, связанных с применением электроэнергии для целей отопления за счет использования дополнительных источников энергии в виде твердого топлива, газа и избыточной электроэнергии от автономных источников электроэнергии (ветроустановки, проточные ГЭС и пр.).

Сегодня практически во всех регионах страны установлены кратно различающиеся тарифы на получаемую в ночное и дневное время электрическую энергию. Например, в Карелии эти тарифы отличаются в 8 раз, в Москве и Московской области — в 2 раза, в среднем по РФ — от 2 до 4 раз. На Украине отношение этих тарифов достигает 10. Имеет место тенденция разуплотнения суточных графиков потребления энергии, что обусловлено опережающим развитием в стране сферы обслуживания, потребляющей энергию преимущественно в дневное время.

Рис. 2. Применение СТЭ высвободит только в Москве 2 200 МВт электрической мощности

Рис. 3. График стоимости отопления в Республике Карелия, 2011 г. 

Зимой необходимая электрическая мощность в дневное время может значительно превышать мощность в ночное время суток. Так, например, 19 декабря 2008 г. такое превышение составило 23 700 МВт по Единой энергосистеме России (без Сибири), а по Москве на 20 января 2006 г. эта разница составила 5 500 МВт.

В настоящее время правительству Москвы предложено на первом этапе снизить дневную нагрузку на энергосистему города на 2 200 МВт за счет применения твердофазных теплоаккумуляторов с воздушным теплоносителем. Этот первый этап может быть осуществлен исключительно за счет установки СТЭ во временных помещениях, расположенных на московских улицах (киоски, торговые павильоны, бытовки строителей и т. д.), и перевода их на ночной режим оплаты электроэнергии, что обеспечит экономию 40% электроэнергии.

Столь внушительная разница в тарифах на электроэнергию в дневное и ночное время (а также переизбыток электроэнергии в ночное время) объясняется достаточно просто: в России практически отсутствуют гидроаккумулирующие электростанции (построена только одна), которые могут накапливать электроэнергию, вырабатываемую в ночное время, и отдавать ее в часы пиковых нагрузок на энергетические сети (как правило, днем). Данная ситуация позволяет с полной уверенностью говорить о том, что в ночное время электроэнергия в нашей стране еще достаточно длительное время (10–20 лет и более) будет в значительном избытке. При этом следует отметить, что даже в странах Западной Европы (в частности, в Финляндии и Германии), где широко используются такие станции, разница между дневными и ночными тарифами составляет 1,5–2,5 раза, но при этом объем потребления в строительной отрасли стационарных теплоаккумуляторов ежегодно составляет свыше 200 млн евро.

Основные показатели и потенциальная эффективность применения СТЭ в целом по РФ
приведены в табл. 1.

Общая потребность в теплоаккумуляторах средней мощности (до 100 кВт) в РФ прогнозируется в 78,5 млрд руб. или 15,7 кВт (без учета совместной работы с автономным источником электрической энергии). При реализации такой программы в течение 10 лет ежегодный сбыт планируется в размере 7,8 млрд руб. (195 млн евро). Из вышеприведенных данных следует, что российский рынок теплоаккумулирующих систем отопления малой и средней мощности (в том числе печей-каминов из талькового камня) должен превышать 300 млн евро ежегодно.

Общая потребность в теплоаккумуляторах средней мощности (до 100 кВт) в Российской Федерации прогнозируется в 78,5 млрд руб., или 15,7 кВт (без учета совместной работы с автономным источником электрической энергии). При реализации такой программы в течение 10 лет ежегодный сбыт планируется в размере 7,8 млрд руб. (195 млн евро). На основе вышеприведенных данных можно прогнозировать, что российский рынок теплоаккумулирующих систем отопления малой и средней мощности (в том числе печей-каминов из талькового камня) должен превышать 300 млн евро ежегодно.

Использовать стационарный теплоаккумулятор «Печь» можно и при отсутствии электрических сетей необходимой мощности и/или первоначальных средств на их прокладку, на выкуп дополнительной мощности. Это устройство работает не только от электричества, но и на древесном топливе.

При этом можно сразу заложить теплоаккумулирующее рабочее тело в СТЭ на максимальную мощность, а подключение электричества на первом этапе выполнить, только на отпущенную энергоснабжающей организацией мощность.

Рис. 5. Структура поставок воздушных теплоаккумуляторов по странам ЕС в 2007 г. (в % от величины поставок в денежном выражении)

Продолжение в СтройПРОФИ №7 "Перспективная система отопления пассивных и активных малоэтажных зданий с использованием природных тальковых камней"

А. М. Анисимов, к. т. н., эксперт (Петрозаводск)
К. Батерау, доцент, Университет БАУХАУС (г. Веймар, Германия),
В. Н. Васильев, д. т. н., профессор, президент Петрозаводского государственного университета,
М. М. Кенисарин, с. н. с, НПО «Академприбор» (Ташкент, Узбекистан),
О. С. Попель, д. т. н., зав. лабораторией ОИВТ РАН, Москва,
А. В. Спиридонов, к. т. н., зав. лабораторией НИИСФ РААСН, Москва,
И. Л. Шубин, д. т. н., директор НИИСФ РААСН, Москва