Новая высокоэффективная технология отопления биомассой

Система отопления на биомассе, потребляющая в два раза меньше топлива, чем классический пеллетный котел, – возможно ли это? Да, при комбинации пеллетного котла и теплового насоса абсорбционного типа.

В Германии в течение четырех лет в форме НИОКР был реализован проект Biomasse-Wärmepumpen (BioWap), основным исполнителем которого был Баварский центр прикладных энергетических исследований (Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. – ZAE). Один из отделов центра занимается преобразованием тепла с помощью чиллеров и тепловых насосов, от разработки и оптимизации отдельных компонентов до их интеграции в сложные энергетические системы*, и накопил большой опыт использования сорбционных тепловых насосов и систем охлаждения, сорбционных систем хранения и инновационных компрессорных холодильных систем.

В рамках проекта BioWap было показано, что общая эффективность функциональной модели высокоэффективной системы теплового насоса в комплексе с пеллетным котлом может достигать 200%. Казалось бы, невероятно, ведь КПД установки свыше 100% противоречит всем законам физики и термодинамики. Однако говорить о КПД теплового насоса в классическом понимании этого показателя не совсем правильно, поскольку стандартная формула расчета КПД в этом случае некорректна, в ней не учитываются дополнительные низкопотенциальные источники энергии – воздух, вода, грунт и др. Помимо основного источника тепловой энергии (пеллетного котла в рассматриваемом случае), тепловой насос использует низкопотенциальное тепло, объем которого не всегда можно учесть. Это основная ошибка при расчете КПД теплового насоса.

Для оценки эффективности абсорбционного теплового насоса применяется коэффициент трансформации (coefficient of performance) COP, рассчитываемый по формуле

COP = Q₃/Q₁,

где Q₁ – тепло, подведенное от теплового источника, Q₃ – полезное тепло на выходе из системы.

Оптимальный COP равен не меньше 1,7.

Сочетание котла и абсорбционного теплового насоса (рабочая среда – вода и водный раствор бромида лития) позволяет использовать низкотемпературный источник тепла.

Руководителем проекта BioWap стал магистр технических наук Мануэль Кауше. HDG Bavaria GmbH, один из ведущих в ФРГ производителей котлов на биомассе, в частности пеллетных, выступил партнером проекта. В результате этой работы установлено, что такое решение может широко использоваться в энергетике с высокой эффективностью.

Более 35% общего теплового энергопотребления для отопления и горячего водоснабжения в Германии приходится на жилой сектор, общественные и офисные здания. Пока большая часть этого объема в энергобалансе обеспечивается за счет невозобновляемых источников энергии (в основном нефтепродуктов и природного газа, угля в небольшом количестве). Переход на возобновляемые источники энергии осуществляется не так быстро, как хотелось бы.

«Сжигание биомассы, прежде всего древесины, – старейший способ отопления зданий, до сих пор доминирующий на рынке возобновляемого полезного тепла. Больше 11% общего спроса на тепло в Германии покрывается за счет дров, древесной щепы и пеллет. Но потребность в регенеративной мощности нагрева и охлаждения растет, и с каждым годом ее все больше удовлетворяет биомасса, – говорит Мануэль Кауше. – Для этого в ZAE Bayern и был разработан новый тип системы отопления и охлаждения, работающей на древесной биомассе (пеллетах), служащей дополнительным источником тепла для теплового насоса, что значительно снижает потребление электроэнергии. Таким образом, могут использоваться низкотемпературные источники тепла в окружающей среде, такие как геотермальные зонды, солнечные тепловые коллекторы, грунтовые и сточные воды. Основная концепция была протестирована в ходе совместной работы исследователей из Германии и Финляндии еще в 2016 году. Успешным продолжением этой разработки стал проект BioWap.

По сравнению со сжиганием биомассы в обычном котле, эффективность системы примерно в два раза выше, а выбросы вдвое меньше. Очень низкое энергопотребление значительно уменьшает влияние нестабильного энерго­снабжения в децентрализованных районах на энергопотребление, и за счет использования тепла из окружающей среды выход энергии системы составляет больше 170% теплотворной способности топлива, подаваемого в котел. Такая взаимосвязь была продемонстрирована на функциональной модели в лаборатории ZAE».

Результаты измерений согласуются с полученными на функциональной модели: при выходной мощности 56,3 кВт, которая генерируется при сжигании древесных пеллет в котле, можно выработать 95,7 кВт тепла при 31,5–40°C. Энергия, поступающая от источника тепла из контура холодной воды (5,6–9°C), составляет 52,2 кВт. Но общая эффективность системы может быть повышена за счет дальнейшей оптимизации потока продуктов сгорания и дымовых газов. Планируется создание демонстрационных систем обеспечения отопления и охлаждения с помощью сжигания биомассы для разных областей применения.

Кризис, обусловленный пандемией коронавируса, показал, как быстро может быть поставлена под угрозу безопасность энергоснабжения. Надежное энергоснабжение достигается за счет независимого от импорта децентрализованного производства и хранения энергии и способствует необходимой устойчивости будущей энергетической системы, то есть обеспечивает ее функциональность и удовлетворение энергетических нужд потребителей. Особенно привлекательны энергетические технологии, ориентированные на создание региональных сетей. Домохозяйства и муниципалитеты выигрывают по многим показателям, если энергия и услуги предоставляются в непосредственной близости от потребителя.

В проекте BioWap протестирована система абсорбционного теплового насоса работающая на пеллетах и древесной щепе. Интеграция с тепловым насосом позволяет использовать низкотемпературный источник тепла окружающей среды, и по эффективности такая комбинация в два раза превосходит обычный котел. Тепло и холод, используемые для кондиционирования воздуха или промышленных целей, сокращают расход топлива до 50%. Кроме того, нагрузка на электросеть значительно ниже, чем в случае обычного электрического теплового насоса.

Абсорбционный тепловой насос состоит из теплообменных аппаратов, соединенных контурами, предназначенными для циркулирования абсорбента и хладагента. Принцип его работы основан на поглощении абсорбентом пара низкой температуры с одновременным выделением тепла. За счет низкопотенциального тепла хладагент закипает. Абсорбент закачивается в генератор, где выпаривается ранее поглощенный водяной пар. После этого солевой (бромисто-литиевый) концентрат возвращается в абсорбер, а конденсат хладагента – в испаритель.

Бромисто-литиевый абсорбционный тепловой насос с паровым контуром состоит из испарителя, абсорбера, конденсатора, теплообменника, насосов и других вспомогательных устройств. Раствор бромида лития нагревается до температуры, обеспечивающей испарение хладагента. Пары хладагента попадают в конденсатор и отдают тепло воде, протекающей внутри трубок, затем хладагент конденсируется и снова подается в испаритель, тепло низкотемпературного источника, проходящего внутри теплообменных труб, поглощается и поступает из теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла. Жидкий хладагент (вода) поглощает тепло и испаряется, а затем поступает в абсорбер, где также распыляется концентрированный раствор LiBr, подаваемый из генератора. При поглощении паров хладагента выделяется тепловая энергия, которая передается воде, протекающей по теплопередающим трубкам абсорбера. Нагретая в абсорбере и конденсаторе вода подается потребителям тепла (для отопления, ГВС и т. д.).

Источником энергии для абсорбционного теплового насоса служит так называемое бесплатное тепло, в разных вариантах.

1. Горячая вода. Обратка котельных установок или иного технологического оборудования. При этом вся тепловая энергия, используемая для абсорбции, возвращается в систему теплоснабжения.
2. Пар. Избытки свежего пара или неутилизированный отработанный пар.
3. Отходящие и дымовые газы. Для повышения эффективности котлов традиционным решением является установка экономайзеров, но тогда дымовые газы охлаждаются до температуры, чуть превышающей температуру в обратном трубопроводе теплосети, то есть большое количество энергии теряется или сбрасывается через дымовую трубу, часто при температуре около 50°C и выше. При использовании абсорбционного теплового насоса дымовые газы, как правило, охлаждаются до температуры ниже 20°С, иногда даже до 10°С, это означает, что тепловая энергия может быть использована в системе теплоснабжения почти полностью.
4. Низкопотенциальное тепло оборотной воды.
5. Сточные воды предприятий при температуре ниже 40°С широко используются в мировой практике в качестве дополнительного источника тепла. Подобные решения позволяют снизить тепловое загрязнение окружающей среды и нагрузку на очистные сооружения.

Если пеллетные котлы летом простаивают в отсутствие отопительной нагрузки, то абсорбционные тепловые насосы могут работать в качестве холодильных машин без дополнительных капзатрат, поэтому находят применение в установках централизованного охлаждения.

В качестве альтернативного варианта вырабатываемый холод может использоваться для нужд предприятия в технологических процессах или для охлаждения оборудования, а для жилых зданий в режиме кондиционера теплового насоса.

Какой практический интерес представляет подобный гибридный котел, рассчитанный на любую биомассу – местный вид топлива, начиная от древесных отходов и отходов агропромышленного комплекса и твердых коммунальных отходов. Не говоря о децентрализованной энергетике в северных и восточных регионах России, даже при строительстве нефте- и газопроводов, ЛЭП, автодорог вырубаются немалые объемы древесины и рядом источники низкопотенциальной энергии, притом что всегда высока потребность в тепловой энергии для отопления, электроэнергии для технологических процессов и низкотемпературной энергии для охлаждения в летнее время. К примеру, в Европе, где климат значительно мягче, тепловые насосы используются на железной дороге для отопления небольших станционных зданий, сооружений и в технологических процессах, позволяя избежать высоких затрат на электроэнергию, необходимых для эксплуатации насосов, компрессоров и пр.

Объединенный с абсорбционным топливным насосом котел позволяет в среднем на 50% снизить расход пеллет, брикетов или щепы при значительном повышении эффективности и экологичности. Кстати, в тепловом насосе нет движущихся частей, поэтому отсутствуют шумы и вибрация. 

Текст Сергей Передерий