Приложение Ж (справочное). Метод оценки энергопотребления и энергетической эффективности геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли на территории Российской Федерации (метод ИНСОЛАР)

Приложение Ж
(справочное)

Метод оценки энергопотребления и энергетической эффективности геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли на территории Российской Федерации (метод ИНСОЛАР)

Потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории Российской Федерации не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще более отличается от естественного. Однако огибающее влияние теплового поля в многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, т.е., начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Поэтому при проектировании ТСТ необходимо учитывать падение температур грунтового массива, вызванное многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использовать в качестве расчетных параметров и температур грунтового массива параметры и температуры грунта, ожидаемые на пятый год эксплуатации ТСТ.

В климатических условиях России оценка эффективности применения геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения, использующих тепло грунта, может быть проведена с помощью представленного на рисунках Ж.1 - Ж.8 и выполненного по способу ОАО "ИНСОПАР-ИНВЕСТ" районирования территории Российской Федерации по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения. Районирование выполнялось на основе результатов численных экспериментов по моделированию эксплуатационных режимов ТСТ в климатических условиях различных регионов Российской Федерации. При проведении численных экспериментов рассматривалось следующее:

- при проведении районирования территории Российской Федерации по эффективности применения ТСТ в качестве критерия эффективности геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения (далее ГТСТ) был выбран средний за пятый год эксплуатации коэффициент трансформации теплоты, представляющий собой отношение вырабатываемой ГТСТ полезной тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на ее привод.

На рисунке Ж.1 представлены значения и изолинии коэффициента трансформации геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения с горизонтальными системами теплосбора, а на рисунке Ж.2 - то же для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно на рисунках, максимальные значения 4,24 - для горизонтальных систем теплосбора и 4,14 - для вертикальных можно ожидать на юге Российской Федерации, а минимальные значения 2,87 и 2,73 - на севере и в Уэлене соответственно. Для Средней полосы России значения для горизонтальных систем теплосбора находятся в пределах от 3,4 до 3,6, а для вертикальных систем - в пределах от 3,2 до 3,4. Обращают на себя внимание достаточно высокие значения (от 3,2 до 3,5) для районов Дальнего Востока, районов с традиционно сложными условиями топливоснабжения. По-видимому, Дальний Восток является регионом приоритетного внедрения ГТСТ.

На рисунке Ж.3 представлены значения и изолинии удельных годовых затрат энергии на привод "горизонтальных" ГТСТ+ПД (пиковый доводчик), включающих в себя энергозатраты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1  отапливаемой площади здания, а на рисунке Ж.4 - для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно из рисунков Ж.3, Ж.4, годовые удельные энергозатраты на привод горизонтальных ГТСТ, приведенные к 1  отапливаемой площади здания, изменяются от 28,8 кВтч/(год) - на юге России до 241 кВтч/(год) в Якутске, а для вертикальных ГТСТ - от 28,7 кВтч/(год) - на юге и до 248 кВтч/(год) - в Якутске. Если умножить представленное на рисунках Ж.1 - Ж.8 для конкретной местности значение годовых удельных энергозатрат на привод ГТСТ на значение для этой местности , уменьшенное на 1, то получим количество энергии, сэкономленное ГТСТ с 1  отапливаемой площади за год. Например, для Москвы для вертикальной ГТСТ это значение составит 189,2 кВтч на 1  в год. Для сравнения можно привести значения удельных энергозатрат, установленные московскими нормами по энергосбережению [32] для малоэтажных зданий на уровне 130, а для многоэтажных зданий 95 кВтч/(год). При этом в нормируемые [32] энергозатраты входят только затраты энергии на отопление и вентиляцию, в нашем же случае в энергозатраты включены и затраты энергии на горячее водоснабжение. Дело в том, что существующий в действующих нормах подход к оценке энергозатрат на эксплуатацию здания выделяет в отдельные статьи затраты энергии на отопление и вентиляцию здания и затраты энергии на его горячее водоснабжение. При этом энергозатраты на горячее водоснабжение не нормируются. Такой подход не кажется правильным, поскольку затраты энергии на горячее водоснабжение зачастую соизмеримы с затратами энергии на отопление и вентиляцию.

На рисунке Ж.5 представлены значения и изолинии рационального соотношения тепловой мощности ПД и установленной электрической мощности "горизонтальных" ГТСТ в долях единицы, а на рисунке Ж.6 - для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Критерием рационального соотношения тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ (исключая ПД) являлись минимальные годовые затраты электроэнергии на привод ГТСТ+ПД. Как видно из данных рисунков, рациональное соотношение мощностей тепловой ПД и электрической ГТСТ (без ПД) изменяется от 0- на юге России до 2,88 - для горизонтальных ГТСТ и 2,92 - для вертикальных систем в Якутске. В Центральной полосе России рациональное соотношение тепловой мощности доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ-ПД находится как для горизонтальных, так и вертикальных ГТСТ в пределах от 1,1 до 1,3. На этом моменте нужно остановиться более подробно. Дело в том, что при замещении, например, электроотопления в Центральной полосе России мы фактически имеем возможность на 35% - 40% сократить мощность установленного в отапливаемом здании электрооборудования и соответственно сократить электрическую мощность, запрашиваемую у РАО "ЕЭС", которая сегодня "стоит" около 50 тыс. рублей за 1 кВт установленной в доме электрической мощности. Так, например, для коттеджа с расчетными теплопотерями в наиболее холодную пятидневку, равными 15 кВт, мы сэкономим 6 кВт установленной электрической мощности и соответственно около 300 тыс. рублей или = 11,5 тыс. $ США. Эта цифра практически равна стоимости ГТСТ такой тепловой мощности. Таким образом, если корректно учитывать все издержки, связанные с подключением здания к централизованному электроснабжению, оказывается, что при существующих сегодня тарифах на электроэнергию и подключение к сетям централизованного электроснабжения в Центральной полосе России даже по единовременным затратам ГТСТ оказывается выгоднее электроотопление, не говоря уже об экономии энергии 60%.

На рисунке Ж.7 представлены значения изолинии доли тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД), в суммарных годовых энергозатратах системы "горизонтальная" ГТСТ+ПД в процентах, а на рисунке Ж.8- тоже для ГТСТ с "вертикальными" системами теплосбора. Как видно из рисунков Ж.1-Ж.8, удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года ПД в суммарных годовых энергозатратах системы "горизонтальная" ГТСТ+ПД, изменяется от 0% - на Юге России до 38% - 40% в Якутске и Туре, а для вертикальных ГТСТ+ПД - соответственно от 0% на Юге России и до 48,5% - в Якутске. В Центральной полосе России эти значения составляют для вертикальных и горизонтальных ГТСТ около от 5% до 7%. Это небольшие энергозатраты, и в связи с этим нужно внимательно относиться к выбору ПД. Наиболее рациональным как с точки зрения удельных капвложений в 1 кВт мощности, так и автоматизации являются пиковые электродоводчики. Заслуживает внимание использование котлов, работающих на пеллетах.

Рисунок Ж.1 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - значения коэффициента трансформации энергии для "горизонтальных" ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии, вырабатываемой ГТСТ на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, в долях единиц)

Рисунок Ж.2 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - значения коэффициента трансформации энергии для "вертикальных" ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии, вырабатываемой ГТСТ+ПД на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, в долях единиц)

Рисунок Ж.3 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - удельные годовые затраты энергии на привод "горизонтальных" ГТСТ+ПД, включающие в себя отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 м отапливаемой площади, кВт·ч/год· )

Рисунок Ж.4 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - удельные годовые затраты энергии на привод "вертикальных" ГТСТ+ПД, включающие в себя отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1  отапливаемой площади, )

Рисунок Ж.5 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности "горизонтальных" ГТСТ, в долях единиц)

Рисунок Ж.6 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности "вертикальных"

Рисунок Ж.7 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - доля тепловой энергии, вырабатываемой в течение года ПД в суммарных годовых энергозатратах системы "горизонтальная" ГТСТ+ПД, %

Рисунок Ж.8 - Районирование территории Российской Федерации по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплоснабжения. (Изолинии на карте - доля тепловой энергии, вырабатываемой в течение года ПД в суммарных годовых энергозатратах системы "вертикальная" ГТСТ+ПД, %