Одно из толкований полузабытого советского слова «внедрение» звучало как «проникновение в нечто сопротивляющееся». Изначально при этом предполагается, что внедряется нечто хорошее, а хорошему делу всегда противятся косность, лень, бюрократизм, наконец, просто привычка к старому, а, стало быть, к плохому, и со всем этим сторонникам прогресса приходится отчаянно бороться, чтобы, если повезет, победить.
Казалось бы, рыночная экономика, которая пришла на смену плановому хозяйству, должна снять все барьеры на пути технического прогресса.
Если капиталисту выгодно, он вложит деньги и получит прибыль.

Автор: В.Ф. ГЕРШКОВИЧ, к.т.н., ЧП «Энергоминимум»

1. Действительно ли тепловой насос выгоден?

Не так уж много возможностей эффективного применения тепловых насосов можно найти в сфере коммунальной теплоэнергетики города*. Тепловой потенциал грунта, практически неограниченный в сельской местности, при плотной многоэтажной застройке городских кварталов становится недостаточным, если не говорить о сверхглубоком бурении скважин, вряд ли приемлемом по многим, в том числе экономическим соображениям. Теплота канализационных стоков может эффективно использоваться лишь на локальном уровне, а другие источники низкопотенциального тепла (море, реки, тепловые отходы промышленных предприятий) имеются далеко не везде.

Везде и в неограниченном количестве есть только воздух.

Рассмотрим более предметно возможность выработки тепла для горячего водоснабжения с использованием теплоты атмосферного воздуха только в летний период.

Установлено, что при значениях коэффициента преобразования теплового насоса с электрическим приводом ниже 2,75 энергетическая система, включающая в себя тепловую электростанцию и тепловой насос, будет потреблять больше топлива, чем котел, вырабатывающий с коэффициентом полезного действия 0,9 то же количество тепла, что и тепловой насос. Поэтому тепловые насосы, работающие с коэффициентом преобразования ниже 2,75, считаются энергетически неэффективными.

На основе анализа каталожных характеристик конкретного модельного ряда тепловых насосов «воздух-вода», получена зависимость коэффициента преобразования теплового насоса e от температур теплоносителя на выходе из конденсатора t2K и наружного воздуха tA, выраженных в градусах Цельсия.

При использовании теплового насоса для горячего водоснабжения t2K = 55 °С, и формула приобретает вид:

Поскольку тепловые насосы при e < 2,75 не эффективны, то должно соблюдаться неравенство:
1,67 + 0,075tA > 2,75.
Из этого неравенства можно вычислить температурную границу эффективного применения теплового насоса «воздух-вода», работающего на систему горячего водоснабжения.
tA > 14,4 °С.
Если воспользоваться старыми климатическими данными, размещенными в отмененном нормативном* документе, можно определить, что с учетом полученного неравенства продолжительность стояния температуры, при которой эффективно использование теплового насоса, составляет для Киева, расположенного в северной части Украины, около 3400 часов в год, а для Севастополя, расположенного на самом юге, 4100 часов. Это означает, что котельные могли бы не сжигать газ в Киеве в течение 4,5 теплых месяцев (от мая до середины сентября) и в течение полугода (от мая до октября включительно) в Севастополе.

Прежде чем перейти к экономическим расчетам, определим, при каких коэффициентах преобразования будут работать тепловые насосы. В табл. 1 показаны расчетные среднемесячные температуры наружного воздуха tCP, °C, принятые по нормативным** данным, и вычисленные по формуле (2) значения коэффициента преобразования e. Для дальнейшего анализа примем осредненные значения e = 2,97 для Киева и e = 3,13 для Севастополя.

Рассмотрим условный жилой микрорайон с населением 1000 чел. При удельном потреблении горячей воды, равном 80 л на каждого жителя в сутки, что характерно для квартир с водосчетчиками, суточная потребность района в тепле для горячего водоснабжения в летний период составит 3,2 Гкал или 3,72 МВт-ч. При наличии баков-аккумуляторов горячей воды тепловой насос может работать со средней нагрузкой в течение 22-х часов в сутки, и его тепловая мощность составит:
103 • 3,72 / 22 = 169 кВт.
Технико-экономические показатели теплоснабжения от теплового насоса представлены в табл. 2.

На этом физика заканчивается, и начинается экономика. В отличие от точной физики, параметры, которыми оперирует экономика, перманентно изменчивы, поскольку все цены и тарифы постоянно меняются, и, к сожалению, всегда в худшую сторону.

Если тариф на тепловую энергию равен ТТ, у.е./Гкал, а тариф на электрическую энергию равен ТЭ, у.е./МВт-ч, то при удельной, отнесенной к одному киловатту тепловой мощности теплового насоса «воздух-вода» стоимости СТН, у.е./кВт, простой срок окупаемости t теплового насоса «воздух-вода» в системе горячего водоснабжения для Киева можно рассчитать по формуле:

Для Севастополя:

В 2011 году характерными в Украине значениями являются:
СТН = 400 у.е./кВт;
ТТ = 70 у.е./Гкал;
ТЭ = 90 у.е./МВт-ч.
Подставив эти значения в формулы (3) и (4), получим, что срок окупаемости установки в 2011 году теплового насоса «воздух-вода» в системе горячего водоснабжения в Киеве составит 4 года, а в Севастополе чуть более трех лет.

Если тепловой насос «воздух-вода» установить прямо в котельной, использующей природный газ по тарифу ТГ, у.е./тыс. м3, то простой срок окупаемости t теплового насоса для Киева рассчитывается по формуле:

Для Севастополя:

Расчеты по этим формулам показывают, что при ТГ = 300 у.е./тыс. м3 срок окупаемости установки в 2011 году теплового насоса «воздух-вода» в системе горячего водоснабжения в Киеве составит 20 лет, а в Севастополе — чуть более 13 лет.

Нет ничего удивительного в том, что сроки окупаемости при использовании теплового насоса в котельной в 4–5 раз продолжительнее, чем в случае установки теплового насоса у потребителя системы централизованного теплоснабжения. Тариф на тепловую энергию формируется с учетом не только затрат на покупку газа. Он включает в себя широкий спектр эксплуатационных расходов теплоснабжающей организации, которая обязана поддерживать сложную систему в рабочем состоянии, обеспечивая передачу тепловой энергии от источника теплоснабжения к потребителям. Поэтому для потребителя выгоднее экономить более дорогую тепловую энергию, чем относительно дешевый газ.

Установить тепловой насос «воздух-вода» для горячего водоснабжения какого-нибудь самостоятельного городского объекта, присоединенного к централизованной системе теплоснабжения, выгодно уже сейчас. Правда, выгодно это только для потребителя. Теплоснабжающая организация при этом понесет ущерб, поскольку уменьшится объем продаж тепла. Ущерб этот будет минимизирован, если все потребители, присоединенные к одной котельной, установят у себя тепловые насосы. Тогда котельную можно будет остановить практически на все лето.

В то же время, если самостоятельный городской объект не присоединен к системе централизованного теплоснабжения, а получает тепло от собственной котельной, то устанавливать тепловой насос на этой котельной пока не выгодно, поскольку срок окупаемости в этом случае будет слишком продолжителен. Как видим, несмотря на то, что физический эффект экономии топлива во всех случаях одинаков, экономический эффект, связанный с тарифами на энергоносители, разнится в различных случаях в несколько раз. Назвать этот эффект «экономическим» было бы не совсем точно. Да простят мне экономисты терминологическую вольность, но я бы назвал этот эффект «тарифным».

Итак, выгодность теплового насоса — это критерий отнюдь не однозначный. Мы рассмотрели два возможных варианта, для которых сроки окупаемости установки теплового насоса «воздух-вода» в системе горячего водоснабжения отличаются разительно. Представим эти варианты в табличной форме (таблица 3). Обращаем внимание на то, что сроки окупаемости, обозначенные в таблице, не могут обобщенно применяться ко всем случаям жизни, поскольку они получены на основе анализа теплопотребления условного жилого района и привязаны к фиксированным тарифам. Более важна в данном случае не продолжительность срока окупаемости, а существенная разница между этими сроками для вариантов А и Б.

Итак, руководителям какого-нибудь спортивного зала или ресторана, получающим сегодня тепло из городской тепловой сети, есть смысл прямо сейчас рассмотреть вопрос о целесообразности устройства системы горячего водоснабжения своего учреждения от теплового насоса «воздух-вода», который будет работать в теплое время года.

2. Нужно ли внедрять тепловые насосы за бюджетные средства?

Можно понять стремления сократить текущие расходы бюджетных организаций путем временного отключения системы горячего водоснабжения от тепловой сети, направив централизованные бюджетные средства на внедрение столь перспективного технического решения, каким, несомненно, является тепловой насос. Нет ничего удивительного в том, что такие государственные программы применительно к школам уже начали разрабатываться.

Вместе с тем, не все, что выгодно частному предприятию, например, ресторану, выгодно государству.

Представим себе, что в одной из школ реализован проект с тепловым насосом для горячего водоснабжения. Израсходовав при этом выделенные централизованно бюджетные средства, можно в дальнейшем сократить сумму бюджетных платежей за энергоносители и, таким образом, через 3–4 года вернуть израсходованные бюджетные средства.

Казалось бы, все хорошо.

Но теплоснабжающая организация понесла при этом прямые убытки, связанные с уменьшением денежных поступлений. При этом газ в котельной расходовался в том же количестве, в каком он расходовался и до установки теплового насоса в школе, потому что отключение школьного теплового пункта от тепловой сети привело к тому, что теплоноситель перераспределился и направился на другие объекты. В результате, за газ теплоснабжающая организация рассчитаться в полном объеме самостоятельно не сможет, и погасить долг она сможет только с помощью бюджетных дотаций.

Экономия бюджетных средств в одной сфере привела к дополнительным затратам в другой.

Логика расходования бюджетных средств должна исходить не из выгод конкретной бюджетной организации, а из общей эффективности, которую можно было бы назвать народно-хозяйственным эффектом, поскольку бюджетные деньги, в конечном счете, формируются из средств налогоплательщиков, для которых преференции отдельных ведомств не имеют никакого значения. Поэтому, несмотря на более продолжительный срок окупаемости тепловых насосов, установленных на источнике теплоснабжения, именно там следовало бы применять их в тех случаях, когда появятся бюджетные ресурсы, направленные на повышение эффективности теплоснабжения.

В отличие от кредитных ресурсов, бюджетные деньги возврату не подлежат. Поэтому срок окупаемости в данном случае большого значения не имеет, особенно, если учесть, что газ ежегодно растет в цене, и любое энергосберегающее мероприятие, которое сегодня окупается за длительный срок, завтра окупится, гораздо быстрее.

Подводя итог размышлениям о тепловом насосе в большом городе, можно сделать такие выводы:

1. Тепловой насос, как правило, не может рассматриваться как альтернатива централизованному теплоснабжению.
2. Реальным для повсеместного использования источником низкопотенциального тепла для теплового насоса в большом городе является наружный воздух, используемый в теплое время года для горячего водоснабжения.
3. Наиболее рациональным, исходя из народно-хозяйственного эффекта, местом установки теплового насоса «воздух-вода» является котельная.
4. Быстрее всего установка теплового насоса окупится там, где потребитель в результате сможет отключаться на время от тепловой сети.