Геотермальное теплоснабжение с использованием тепловых насосов. Российский опыт

В. А. Бутузов, доктор техн. наук, Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина

Теплонасосные технологии получили наибольшее применение при использовании поверхностных геотермальных ресурсов на глубине до 400 м, для оценки которых принципиальное значение имеет понятие «нейтральный слой». В теплофизике горных пород на глубинах ниже нейтрального слоя определяющую роль играет глубинный тепловой поток из недр Земли. На меньших глубинах тепловой режим пород в основном формируется солнечным излучением и климатическими факторами.

В общем случае теплонасосная геотермальная система теплоснабжения состоит из трех основных элементов: устройство для отбора низкопотенциального тепла от массива горных пород, грунтовых или поверхностных вод; собственно тепловые насосы, повышающие температуру до более высоких значений; система теплоиспользования конкретных объектов.

Оценка поверхностных геотермальных ресурсов

Анализ современного российского опыта геотермального теплоснабжения [2, 3] показывает, что его массовому применению препятствует отсутствие современных методик оценки и расчета тепловых режимов поверхностных слоев грунтов и водоемов. Использование западноевропейских методик без учета специфики российских регионов приводит к существенным проблемам при эксплуатации ГТС, а в ряде случаев – к их дискредитации.

Рисунок 1 Карта потенциальных приповерхностных геотермальных ресурсов территории России на глубине 100 м

При оценке теплового потенциала поверхностных геотермальных ресурсов выделяют два основных подхода:

1. Исследования всей территории СССР, с оценкой теплового потенциала поверхностных геотермальных ресурсов, выполненные в конце прошлого века горными теплофизиками Ленинградского горного института (ЛГИ) под руководством доктора геолого-минералогических наук Ю. Д. Дядькина и доктора технических наук Э. И. Богуславского. В [4] приведена карта (рис. 1) температурного режима нейтрального слоя территории России, из которой следует, что температура нейтрального слоя зависит от климатических и ландшафтных условий. Для арктических местностей она изменяется от 3 °С до отрицательных значений, а в южных районах составляет 10–15 °С. В регионах современного вулканизма (Камчатка, Курильские острова), где перенос тепла обусловлен конвективной составляющей, температуры грунтов на поверхности земли могут превышать указанные значения.
2. Использование обзорных карт (рис. 2) распределения температур горных пород на глубинах 40, 100, 200 м (в масштабе 1:25 000 000) [4], составленные в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете), преемнике ЛГИ.

Рисунок 2 Карта температурного режима "нейтрального слоя" территории Россиию. М 1:25000000

Проницаемость пород

Принципиальное значение в горной теплофизике имеет проницаемость пород. В слабопроницаемых грунтах (глина, скальные породы) преобладает кондуктивный перенос тепла. Температура таких пород слабо зависит от сезонных климатических колебаний. В высокопроницаемых водонасыщенных породах (галечники, крупнозернистые песчаники) решающую роль в формировании теплового режима играет конвективный тепломассообмен.

При оценке теплового потенциала поверхностных водоемов и водостоков следует учитывать решающую роль солнечной радиации. При этом температура дна наземных водоемов поддерживается глубинным тепловым потоком.

Результаты исследований кондуктивного теплообмена в поверхностном горном непроницаемом массиве представлены в [4]. Там же приводятся результаты исследований конвективного теплообмена в проницаемых водонасыщенных горных породах при обтекании ствола геотермальной скважины подземными водами.

Имитационные экономико-математические модели

По утверждению Э. И. Богуславского, для оптимизации параметров поверхностной ГСТ целесообразно применять их имитационные экономико-математические модели со следующими критериями: NPV (чистый дисконтированный доход ЧДД) за весь срок службы; приведенные затраты; коэффициент экономической целесообразности (соотношение приведенных затрат на производство теплоты геотермальной системой теплоснабжения и альтернативной котельной). Структура экономико-математической модели содержит следующие блоки: исходные данные; параметры системы теплоснабжения; расход сетевой воды; теплообменные процессы в скважинах; потери напора в геотермальной системе теплоснабжения; расчеты ТНУ; теплотехнические характеристик ГСТ; экономические показатели; параметры и показатели альтернативной котельной; технико-экономические параметры и показатели ГСТ. Данная методика в основном применяется при масштабных региональных исследованиях.

Критерий эффективности геотермальных систем теплоснабжения

Для создания локальных геотермальных систем теплоснабжения под руководством доктора технических наук Г. П. Васильева разработаны рекомендации по применению тепловых насосов [5], а также метод математического моделирования теплового режима в грунтах ГСТ, в том числе с учетом фазовых переходов воды в порах грунтов в условиях средней полосы России [6]. В качестве критерия эффективности геотермальных систем теплоснабжения предложено принять среднее за пять лет значение коэффициента трансформации теплоты (www. refroportal.com). Актуально материалы [5, 6] доработать для применения в других регионах России и адаптировать их для массового применения по примеру германских методик.

Развитие теплоснабжения с использованием тепловых насосов в советские годы

Инициатором теплоснабжения с применением тепловых насосов в СССР был физик Владимир Александрович Михельсон (1860–1927), который в 1926 году опубликовал статью о солнечной системе теплоснабжения с тепловым насосом [7]. Практический опыт применения ТН, в том числе в геотермальном теплоснабжении, был накоплен в 1950-х годах в грузинской школе теплонасосных установок. Лидером этой школы был академик Вахтанг Иванович Гомелаури, который в 1953 году в журнале «Холодильная техника» в соавторстве с А. И. Мусхелишвили опубликовал статью об использовании тепловых насосов для утилизации отработанных геотермальных вод для теплоснабжения санаторных объектов.

В 1970-х годах доктором технических наук Отаром Шалвовичем Везиришвили в Абхазии были разработаны и построены несколько поверхностных ГСТ (ПГСТ) с использованием тепла морской воды Черного моря [8]: например, в 1971 году – торговый центр в Сухуми, в 1977 году – курортный зал в Пицунде. В эти же годы под совместным руководством О. Ш. Везиришвили и доктора технических наук Нукзара Варламовича Меладзе для Дома отдыха «Гумиста» (Сухуми) была построена первая в СССР гелиотеплонасосная установка площадью 980 м². Все грузинские теплонасосные установки использовали адаптированные отечественные холодильные машины ХМФУУ-80 тепловой мощностью 145 кВт.

На основе имеющегося многолетнего опыта создания и эксплуатации ТНУ в 1986 году с участием перечисленных специалистов были разработаны рекомендации [9], которые включали методику расчета оптимальной производительности тепловых насосов и технико-экономическое обоснование их применения, а в 1987 году – методические указания по определению экономической эффективности установок с использованием ВИЭ, в которых оценивался их потенциал (температуры водоемов, воздуха, грунтов регионов Грузии).

В СССР разработкой конструкций холодильных машин и тепловых насосов занимался московский институт «ВНИИхолодмаш». Однако адаптированные им для работы в теплонасосном режиме холодильные машины быстро выходили из строя. Основной причиной было то, что соотношение давлений хладагента на входе и выходе из них было существенно выше, чем у обычных холодильных машин (6÷7 и 9÷10 соответственно).

Вследствие низкой надежности¹ таких машин при проектировании ТНУ на морской воде пансионата «Дружба» в Ялте на каждый блок «испаритель–конденсатор» были установлены по два компрессора (рабочий и резервный). Данный проект в 1986 году разработал крымский филиал ВНИПИэнергопрома² (Москва). Эта демонстрационная ТНУ расчетной тепловой мощностью 2,1 МВт [11] стала учебно-методической базой СССР по подготовке специалистов для эксплуатации этого оборудования. Всего специалисты крымского филиала «ВНИПИэнергопром» разработали 26 проектов теплонасосных установок с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. На основе этого опыта были разработаны методические рекомендации [12].

В 1980-х годах проектированием теплонасосных установок также занимался институт ЦНИИЭПИО (Москва), где были подготовлены рекомендации [13].

В 1987 году совместным постановлением ведущих структур советского правительства (Госплана, Бюро Совета Министров по ТЭК, Госкомитета по науке и технике) были разработаны и утверждены к реализации мероприятия по увеличению использования в 1987–1990 годах ВИЭ в народном хозяйстве СССР. В рамках этих мероприятий предусматривалось строительство теплонасосных установок общей тепловой мощностью 320 МВт.

Как видим, в СССР была создана теоретическая теплофизическая база для оценки поверхностных геотермальных ресурсов, производилось адаптированное для работы в теплонасосном режиме оборудование, были разработаны методические материалы по проектированию ТНУ, сооружались десятки установок, велась подготовка профессиональных кадров для их эксплуатации.

Производство российских тепловых насосов в 1992–2000 годах

В девяностых годах прошлого века в России было освоено производство специализированных тепловых насосов. Парокомпрессионные тепловые насосы типа НТ-410 мощностью 400 кВт производили на заводе «Компрессор» в Москве; типа АНТУ мощностью 10,3; 12,0; 14,0 кВт – на приборостроительном заводе в Рыбинске; абсорбционные ТН – на ООО «Термонасос» и ОКБ «Теплосибмаш» в Новосибирске.

В эти годы ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская, созданная академиком Владимиром Елиферьевичем Накорякиным (1935–2018) и его учениками. Кандидат технических наук Юрий Маркович Петин (1939–2017) организовал в Новосибирске производство типоряда ТН мощностью от 100 кВт до 5 МВт. За 10 лет, с 1990 по 2000 год, под его руководством ЗАО «Энергия» произвело 126 машин общей мощностью 40 МВт [14]. В этом же городе ученик В. Е. Накорякина – доктор технических наук Сергей Львович Елистратов выполнил исследования теплонасосных технологий с обширным перечнем актуальной литературы (321 наименование) [15]. А. П. Зарубин представил современную отечественную библиографию по тепловым насосам из 116 наименований (www.prometens.nsc.ru).

Абсорбционные тепловые насосы

Абсорбционные ТН были разработаны и изготовлены в 1994 году в новосибирском Институте теплофизики СО РАН на основе собственных НИР и ОКР, а также результатов исследований Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. Базовые модели имели мощности 2 МВт – АБНТ-2000П (с паровым обогревом) и 5 МВт – АБНТ-5000Т с газовым или мазутным обогревом. Инициатором производства применения абсорбционных ТН является кандидат технических наук Валерий Гаврилович Горшков (1941) [16].

В 1999 году по инициативе новосибирских ученых и инженеров была разработана и утверждена единственная в России региональная программа массового внедрения ТНУ в 30 населенных пунктах Новосибирской области.

В 1990-х годах в Перми российским специалистом доктором технических наук Даниром Галимзяновичем Закировым (1939) была создана школа применения ТН, в том числе с использованием тепла шахтных вод десятка горных предприятий, тепла канализационных стоков и т. п. [17].

Децентрализованные (кольцевые) геотермальные теплонасосные системы

Высокой эффективностью и быстрой окупаемостью характеризуются децентрализованные (кольцевые) геотермальные теплонасосные системы, разработанные в США. Они отличаются низкотемпературным водяным кольцевым контуром внутри здания и установкой реверсивных ТН в каждом помещении.

В России первая такая ГТС была построена в Москве в 1991 году для восьмиэтажного здания «Ирис Конгресс отель» (сеть отелей «Холидей инн») на 195 номеров [18]. Всего в помещениях отеля было установлено около 300 реверсивных ТН «вода/воздух». Особенность данной системы – возможность перераспределения избыточных тепловых потоков между помещениями.

В Краснодаре в 2007 году была построена децентрализованная ГТС для отопления и кондиционирования административного здания общим объемом 10,2 тыс. м³ с расчетными нагрузками отопления 45 кВт, кондиционирования – 68 кВт [19]. Перед зданием были пробурены 16 геотермальных скважин глубиной 90 м, каждая оборудована У-образной пластиковой трубой диаметром 32 мм. В подвесных потолках помещений здания смонтированы 16 тепловых насосов («вода/вода») и приточно-вентиляционные установки. ТН работают в реверсивном режиме и летом сбрасывают избыточное тепло помещений в геотермальные скважины. Основные проектные показатели системы подтвердились в течение 12-летнего срока эксплуатации. Фактический срок окупаемости данной ГТНС составил 6 лет.

В [20] представлены результаты работы ГТС с гелиоустановкой, которая в межотопительный период восстанавливает тепловой режим горных пород после зимнего отвода тепла на отопление. Расчетная тепловая мощность ГТС – 15 кВт. Скважинный теплообменник с обсадной трубой 148 мм и внутренней трубой 40 мм имеет глубину 100 м. Площадь солнечных коллекторов 20 м². Тепловая мощность ТН «вода/вода» – 9,4 кВт. На примере опытной эксплуатации этой ГТС было показано, что отопление и горячее водоснабжение (ГВС) объекта в зимнее время возможно от скважинного теплообменника, а в летнее время обеспечение ГВС и пополнение тепловой энергии горных пород осуществляется за счет теплоносителя гелиоустановки.

Как видим, в 1990–2000 годах в России было организовано производство и внедрение парокомпрессионных и абсорбционных ТН собственных конструкций. Зарубежное теплонасосное оборудование тогда было недоступно по экономическим показателям. Ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская. В этой области была начата реализация региональной программы внедрения ТН.

Опыт проектирования и эксплуатации ТН до 2015 года обобщался в журнале «Тепловые насосы», издававшемся в Харькове (Украина). На сайте данного журнала размещена обширная библиография российских, украинских и зарубежных публикаций.

Теплонасосные установки в России: реалии и перспективы

Сегодня в России функционирует лишь ограниченный рынок ТНУ, на котором работают до двух десятков небольших частных компаний [2, 3]. Это результат отсутствия государственной поддержки и региональных программ в данном направлении. Из всех видов ВИЭ до 2035 года предусмотрено развитие только электроснабжения на основе ветровых, фотоэлектрических и малых гидравлических станций (Распоряжение Правительства РФ от 1  июля 2021 года № 1446-Р).

В работе «Возобновляемая энергетика: примеры и практика реального использования» [3] (www.зеленыйкиловатт.ru) ассоциация специалистов «Зеленый киловатт» представила перечень объектов с использованием ВИЭ, в том числе геотермальных тепловых насосов. Из 14 жилых домов геотермальные ТН применены в половине из них. Для отопления трехэтажного МКД в пос. Решетниково Клинского района Московской области построена ГСТ с 65 зондами (скважинами) и 4 ТН типа «Корса-55» общей мощностью 165 кВт. Из 19 административных, коммерческих и социальных объектов ТН применены в 13, в том числе для отопления административных зданий в г. Приозерске Ленинградской области с ТН типа TME GHP68S мощностью 68 кВт с использованием тепла канализационных стоков, отопление магазина в пос. Сугун Новосибирской области с 24 геотермальными зондами и 3 ТН типа «Экомер-ЭКО-12 Inverter» общей тепловой мощностью 36 кВт. Из 14 промышленных объектов геотермальные ТН применены в 11 случаях, в том числе для отопления 10 вокзалов РЖД с грунтовыми ГСТ с ТН различных производителей.

Планомерно внедрением тепловых насосов сегодня занимается лишь единственная госкорпорация в стране – «Российские железные дороги [3]. Согласно энергетической стратегии РЖД, до 2030 года планируется до 10 % потребления органического топлива объектами стационарной энергетики заместить ВИЭ, в том числе тепловыми насосами.

В связи с ограниченностью рынка российские разработчики ТНУ используют зарубежные конструкции тепловых насосов и (в основном) методики расчета и проектирования профильных фирм. В группе компаний «Инсолар-Инвест» под руководством доктора технических наук Г. П. Васильева в 2001 году было разработано руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии [21]. Перед проектированием геотермальных ТНУ собственным исследованием тепловых характеристик грунтов занимается генеральный директор ООО «ИЭТ – Геотерм» (Сочи) Виктор Анатольевич Малкин (www.teplovoy-nasos.com). В 2021 году фирма «Термекс» (Ленинградская область, г. Тосно) приступила к производству геотермальных тепловых насосов (www.thermexenergy.ru): серия Compact мощностью 6–18 кВт, в том числе со встроенным ТЭНом; серия Monoblock мощностью 6–8 кВт со встроенным бойлером; серия PRO мощностью 16–56 кВт. С использованием этого оборудования построены несколько ГСТ, включая школы в пос. Житково (Выборгский район Ленинградской области) мощностью 112 кВт с 3 тепловыми насосами Thermex Energy Pro 32 и 14 геотермальными скважинами глубиной 145 м.

Стимулирование спроса на возобновляемую энергетику в России осуществляется в основном на оптовом и розничном рынках электроэнергии, а также путем организации торговли зелеными сертификатами [22]. Проект закона, подготовленный в 2020 году Минэнерго России, о внесении поправок в действующий закон «Об электроэнергетике», предусматривает помимо прочего введение зеленых сертификатов для квалифицированных объектов с использованием геотермальной энергии с природными подземными теплоносителями, а также низкопотенциальной тепловой энергии земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей.

Анализ мирового опыта сооружения ГСТ показал, что одни из лучших результатов достигнуты в Германии, в которой Федеральная ассоциация тепловых насосов (BWP, www.waermepumpe.de) объединяет 700 проектных, эксплуатационных, буровых организаций с общей численностью сотрудников 5 000 человек и с годовым оборотом 1,5 млрд евро. В ее состав входят Федеральная ассоциация поверхностного отопления и охлаждения (BVF, www.flaechenheizung.de), Немецкая холодильная и климатическая ассоциация (DKV, www.dkv.org), Центр испытаний и повышения квалификации «Тепловые насосы и холодильная техника» (www.twk-karlstruhe.de). На основании этого можно сделать вывод, что в современных российских условиях для консолидации рынка ТН ГСТ целесообразно создание национальной ассоциации тепловых насосов.

Литература

1. John W Lund, Aniko N. Toht. Direct Utilization of Geothermal Energy: 2020 Worldwide Review. Proc. of the 2020 World Geothermal Congress. Reykjavik, Island. 2020. 39 p.

2. Гашо Е. Г., Козлов С. А., Пузаков В. С., Разоренов Р. Н., Свешников Н. В., Степанова М. В. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно-методическое издание. М., 2017.

3. Возобновляемая энергетика: примеры и практики реального использования. Под. ред. Е. Г. Гашо и Р. Н. Разоренова. М.: Российская инженерная академия. Ассоциация «Зеленый киловатт», 2017. www.зеленый киловатт.ru. Возобновляемая энергетика: примеры и практика реального использования.

4. Богуславский Э. И. Освоение тепловой энергии недр. М.: Спутник, 2018.

5. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. М.: Печатный салон «Граница», 2006.

6. Васильев Г. П., Горнов В. Д., Дмитриев А. Н., Колесова М. В., Юрченко В. А. Геотермальное теплоснабжение в Московском регионе: температурный потенциал и рациональная глубина термоскважин // Теплоэнергетика. 2008. № 1. С. 85–96.

7. Михельсон В. А. О динамическом отоплении // Журнал прикладной физики. 1926. Т. III. Вып. 3–4. С. 243–260.

8. Везиришвили О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. М.: Издательство МЭИ, 1994.

9. Рекомендации по разработке систем теплонасосных установок // Госстрой Грузинской ССР. Тбилиси: ППИ «Грузинпрогорстрой», 1986.

10. Бутузов В. А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии / Дисс. докт. техн. наук. М., 2004.

11. Курдюмова К. А., Куратенко А. П. Опыт эксплуатации теплонасосной станции пансионата «Дружба» // Холодильная техника. 1991. № 11 С. 2–4.

12. Методические указания по применению тепловых насосов для использования низкопотенциальной теплоты в системах теплоснабжения. М.: ВНИПИэнергопром, 1986.

13. Рекомендации по технико-экономическому обоснованию применения нетрадиционных и солнечно-теплонасосных систем теплохладоснабжения на гражданских и промышленных объектах / Госгражданстрой. М.: ЦНИИЭПИО. 1987.

14. Петин Ю. М. Опыт десятилетнего производства тепловых насосов в ЗАО «Энергия» // Энергетическая политика. 2001. Вып. 1. С. 28–34.

15. Елистратов С. Л. Комплексные исследования эффективности тепловых насосов / Дисс. Докт. техн. наук. Новосибирск, 2010.

16. Горшков В. Г., Паздников А. Г., Мухин Д. Г., Севастьянов Р. В. Промышленный опыт и перспективы использования отечественных абсорбционных броммстолитиевых холодильных машин и тепловых насосов нового поколения // Холодильная техника. 2007. № 8. С. 23–29.

17. Закиров Д. Г. Тепловые насосы – теплотрансформаторы на службе экологии и энергоэффективности. Пермь: Печатный салон «Гармония», 2014.

18. Райх В. Специфика использования тепловых насосов в России: климат, эксплуатации, условия // СОК. 2006. № 3. С. 66, 68, 70.

19. Бутузов В. А., Амерханов Р. А., Григораш О. В. Геотермальное теплоснабжение в России // Теплоэнергетика. 2020. № 3. С. 3–14.

20. Алхасов А. Б. Освоение низкотемпературного геотермального тепла. М.: Физматлит, 2017.

21. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Утв. Москомархитектуры 31 января 2001 года.

22. Информационный бюллетень. АРВЭ. Рынок возобновляемой энергетики России: текущий статус и перспективы развития. Июль 2021 года.

¹ При эксплуатации в 1982–1984 годах компрессора А-220-0  московского завода «Компрессор» в режиме геотермального теплового насоса я на своем опыте убедился в повышенном износе кривошипно-шатунного механизма, проблемах с маслохозяйством и автоматикой [10]. — Прим. авт.

² «ВНИПИэнергопром» (Москва) являлся в СССР головной организацией по проектированию теплонасосных установок.