Внимательно перечитав свою статью (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.), развивающую идею поиска баланса интересов застройщиков и энергетиков в сфере внедрения энергосберегающих технологий, я заметил некоторый дефицит убедительных доводов в пользу предложенного подхода. А ведь разрыв между энергопотреблением в активный и пассивный периоды может ударить пострашнее, чем обсуждаемый социологами разрыв в доходах разных групп населения. Так что времени на поиск «плодотворных дебютных идей», как говорил незабвенный Остап Ибрагимович, в нашем случае просто нет, браться за решение проблемы нужно незамедлительно.
Вариантов выравнивания уровней дневного и ночного потребления электроэнергии предлагается немало. Например, такой: построить комплекс так называемых гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Казалось бы, экономическая бессмысленность этого предприятия может быть легко обнаружена с привлечением курса физики за седьмой класс общеобразовательной школы. «Пропустив» ночной тариф через два КПД — гидронасоса и генератора, — мы практически уравняем его с дневным. То есть «накачанная» за ночь энергия при её дневной расконсервации экономически не будет отличаться от параллельно вырабатываемой дневной, да и то при адекватной тарифной политике. Однако в большинстве регионов ночной тариф составляет 0,6—0,8 от дневного, и копить что-либо при таком соотношении просто бессмысленно, особенно если посчитать стоимость строительства ГАЭС.
Не будем рассматривать другие, не более реалистичные проекты. Вернёмся к весьма приземлённой, но перспективной идее использования теплонакопителей. Ориентировать население на их массовое применение (сначала в целях горячего водоснабжения, а затем уже и для отопления) можно только параллельно с подготовкой административных мероприятий по повсеместному введению тарифов, аналогичных, например, тарифам московского региона (0,25/1). Ну а то, что реально копить можно не саму электроэнергию, а лишь тепло — в «суточном» цикле, — дополнительных доказательств не требует (в пределах, естественно, аудитории из числа успешно закончивших семилетку).
Впервые поднятая в «Науке и жизни» тема переноса водоподготовки из ЦТП непосредственно в квартиру с обеспечением этого процесса в рамках ночных резервов электрических мощностей за последние месяцы стала предметом активных обсуждений в ряде профессиональных аудиторий. В частности, созданный при Комитете по строительству и земельным отношениям ГД РФ Экспертный совет по жилищно-коммунальному хозяйству под руководством зампреда комитета, заслуженного строителя РФ Михаила Хесина включил вопросы энергосбережения в сфере ЖКХ в число основных проблем своей деятельности. Причём принципиальных возражений по сути предложенного подхода практически не поступало. А вот рекомендаций по совмещению двух задач — горячего водоснабжения и отопления с использованием накопителей тепла — хоть отбавляй. Трудно было себе представить, какими всё-таки романтиками иногда оказываются строгие и неприступные с виду энергетики. Чего стоит хотя бы заявление гендиректора ВНИИэнергопрома В. Семёнова в его статье «Особенности российского энергодефицита» («Новости теплоснабжения» № 3, 2007 г.): «...перевод потребителей Московского региона, суммарно использующих 1500 МВт (из 3500 МВт) электрической мощности для целей отопления, на теплоаккуму-ляторы позволит не только снизить пиковое потребление, но и превратить суточный график потребления мощности практически в прямую линию, то есть, по опыту других стран, теплоаккумуляторы могут служить средствами управления нагрузкой».
Итак, мы убедились, что и среди серьёзных энергетиков встречаются люди, способные поверить в чудо. Чудо, которое может произойти при удачном сочетании двух обстоятельств. Первое: в идею применения принципа аккумуляции тепла, получаемого электронагревом некоего теплоносителя в ночное время и по ночным тарифам отпуска электроэнергии, должны беспрекословно поверить все участники процесса. Второе: безусловное наличие всех необходимых для практического внедрения метода технических средств и условий. И если в первом случае можно положиться на абсолютную очевидность преимуществ использования ночных резервов электрических мощностей, то во втором — не обойтись только общими рассуждениями. Без благоприятных ночных тарифов (как минимум в 3,5—4 раза ниже дневных), без пригодных для массового тиражирования теплонакопителей различной мощности и соответствующей инфраструктурной электроники, включающей и надёжные двухтарифные счётчики, без проводки, способной пропустить необходимый ток потребления, абсолютно бессмысленно приступать к реализации этой идеи. Но дело-то в том, что все необходимые компоненты сегодня уже существуют. Пусть и не объединённые пока в единую взаимоувязанную систему, но уже успешно используемые в ряде развитых стран, ставящих вопрос энергосбережения в первом ряду насущных задач технического прогресса.
Наиболее логичным путём внедрения принципов аккумуляции энергии на базе горячего водоснабжения (ГВС) — путём чисто эволюционным — стала бы поэтапная апробация его на различных типах строений. Такой путь позволит постепенно «втянуть» строителей и специалистов ЖКХ в понимание безальтернативности этого принципа уже в недалёком будущем. А уж тогда только и строителей можно осторожно (!) подтолкнуть в сторону применения зарекомендовавшего себя принципа аккумуляции в его наиболее логичной сфере — в системе отопления.
Сдавая первую статью в редакцию журнала, автор был абсолютно уверен в том, что этот путь в наших условиях — единственно возможный. Но уже в январе 2008 года стали известны перспективы ценообразования на главные виды сырьевых ресурсов ЖКХ, в частности — на мазут. А вместе с ним и на уголь, который всё активнее возвращается на своё временно потерянное место. И в этой ситуации стало абсолютно ясно, что эволюционные методы внедрения — не для нас. В сфере вовлечения в практику ночных резервов электроэнергии необходима хотя бы маленькая революция, которая позволила бы продемонстрировать работоспособность и экономическую целесообразность принципа аккумуляции тепла уже в самое ближайшее время.
В нашем Экспертном совете с первых дней его работы участвует один из ведущих специалистов страны в сфере малой энергетики доктор технических наук М. Бочарников. В отечественной «оборонке» он известен созданием высоконадёжных автономных систем электроснабжения для локально расположенных и не обеспеченных «внешним рационом» объектов. Так вот, доказать этому апологету надёжности возможность внедрения систем аккумуляции тепла только на основе успешных зарубежных и отечественных разработок оказалось абсолютно невозможным. «Давайте построим дом и наберём статистику...» — такие ответы следовали за всеми рассказами о теплонакопителях, используемых в Германии, Швеции и других авторитетных в инженерных кругах европейских странах. И уж если своему брату-изобретателю для формирования позитивной реакции нужно всё показать на примере конкретного дома (не важно — многоквартирного или индивидуального), то как же убеждать куда более строгих оппонентов, непосредственно связанных с внедрением? Итак, придётся-таки строить дом, пусть на первых порах гипотетический. Следует задуматься о «кирпичах» — о них и попробуем рассказать.
В области теплонакопителей — устройств, широко известных в узкопрофессиональных кругах уже лет двадцать, — некое подобие классификации сложилось совсем недавно. Можно с уверенностью разделить существующие теплонакопители на локальные и центральные. Локальные (комнатные) теплонакопители в свою очередь делят на статические и динамические. И те и другие применяются для отопления жилых или производственных помещений и отличаются лишь с точки зрения организации процесса теплосъёма: за счёт естественной конвекции и излучения с поверхности у статического и принудительной (механической) циркуляции воздуха у динамического. Динамические теплонакопители могут встраиваться в систему воздушного отопления, благодаря чему им удаётся обогревать не только ограниченную зону своего размещения (комнату или небольшой офис), но и сразу обслужи ватьнесколько помещений. В ряде источников встречаются упоминания о «динамических теплонакопителях с системой воздухообмена». Это, пожалуй, не совсем корректно — такие устройства логичнее отнести к разряду центральных теплонакопителей, о которых мы поговорим несколько позже.
Познакомимся подробнее с основными представителями весьма многочисленного семейства теплонакопителей, ведь практически каждый из них претендует на вполне определённое место в инженерной системе нашего будущего дома. Начнём с наиболее простого и уже довольно массового в ряде стран прибора: статического теплонакопителя.
Главный элемент теплонакопителя — твёрдое тепловое ядро. Чаще всего в качестве материала для теплового ядра (сердечника) используется широко известный в металлургии магнезит. Магнезитовые блоки разогреваются ТЭНами до температуры примерно 650оС. В пассивном режиме корпус прибора частично препятствует непроизвольному оттоку накопленного тепла. Габариты и, главное, вес теплонакопителя определяются параметрами теплового ядра, а они, в свою очередь, выбираются из расчёта заданной теплоёмкости. В одной из наиболее массовых серий немецких статических теплонакопителей все приборы имеют стандартную толщину и высоту, отличаясь только по ширине, «завязанной» с мощностью прибора (см. табл. 1).
Организовать эффективный теплосъём с магнезитового ядра гораздо удобнее при принудительной циркуляции воздуха, то есть в динамическом теплонакопителе. Но, несмотря на использование малошумящих вентиляторов, «выдающих» всего 30—35 дБ, в некоторых специфических помещениях, например в спальнях, их применение может о казаться неприемлемым. И в этом случае вполне логична комбинация динамических и статических накопителей даже в пределах одной квартиры.
Остановимся на устройстве локального динамического теплонакопителя, учитывая то обстоятельство, что эти приборы уже более десяти лет серийно выпускаются и в нашей стране заводом «Тагил-Технотерм».
Основной элемент любого теплонакопителя — тепловое ядро — мало изменяется в зависимости от типа прибора. Лишь несколько более разветвлённая система щелевых воздуховодов в магнезитовых блоках отличает устройства с принудительным воздухообменом. Избыточное (в сравнении с накопителями статического типа) давление воздуха позволяет «прогнать» его по сложной системе внутренних воздуховодов теплового ядра, обеспечив тем самым более эффективный теплосъём. Корпус прибора обычно выполнен из оцинкованного стального листа, многослойная изоляционная оболочка минимизирует нештатное излучение тепла во внешнюю среду. В зависимости от размера помещения выбирается накопитель соответствующей мощности заряда (см. табл. 2), однако не следует забывать, что использование приборов подобного класса связано в большинстве случаев с необходимостью обеспечения трёхфазного электропитания.
Выбор, конечно, пока невелик, но в стандартной двухкомнатной квартире можно обойтись парой приведённых в таблице накопителей, оставив отопление кухни на совести хозяйки, а в ванной — доверив его полотенцесушителю. Иначе придётся ставить ещё несколько теплонакопителей, на что бюджетхозяев стандартной квартиры явно не рассчитан...
Итак, об одном из необходимых «кирпичиков» для построения новой системы отопления мы поговорили. Накопитель — необходимый элемент, но для формирования жизнеспособной и удобной в эксплуатации системы нужна и надёжная система управления. Но и с ней на сегодня всё в полном порядке. В упрощённом случае работой вентилятора может управлять обычный комнатный регулятор температуры.
Простейший комплект из динамического теплонакопителя и комнатного регулятора температуры практически решает задачу управления температурным режимом в изолированном помещении, что идеально подходит для квартир, жильцы которых привыкли плотно закрывать двери.
В популярных сегодня проектах «умного дома» потребуются уже гораздо более сложные, программируемые терморегуляторы. Они позволят задать режим отопления на длительный период в зависимости от конкретных условий эксплуатации помещения. Естественно, что подобная система будет ориентирована не на обслуживание стандартной квартиры в многоэтажке, а на использование в индивидуальных домах, производственных и офисных помещениях. Но по мере увеличения «обслуживаемой» теплонакопителем площади и роста требований к соблюдению режимов отопления на место локальных теплонакопителей логично придут гораздо более сложные и дорогие центральные теплонакопители.
Анализ состояния рынка теплонакопителей, проведённый группой специалистов Экспертного совета в середине 2007 года, основывался на, казалось бы, достаточном объёме информации о локальных теплонакопителях, довольно активно используемых в наиболее развитых странах Европы. Определённый оптимизм в части возможного внедрения подобной техники в системе отечественного
ЖКХ подпитывался и наличием теплонакопителей отечественного производства, ориентированных на использование в локализованных помещениях. Но для успешного старта новой технологии начинать надо было бы не с воздушного, а с привычного жидкостного варианта теплопереноса. Проще говоря — требуется функционально соединить теплонакопитель с привычной для отечественного потребителя системой жидкостного отопления...
Среди членов экспертного «клуба» нашлась масса желающих подсказать технические варианты стыковки основных элементов будущей системы. В общем — конструкция устройства, совмещающего твёрдотельный теплонакопитель с воздушным переносом тепла на жидкостный теплообменник, подключаемый к стандартной системе отопления, не просто стояла перед глазами, а даже пару раз автору приснилась. Но придумывать, сидя у тёплой стенки, мы все горазды. А кто станет эту непростую конструкцию разрабатывать, макетировать и запускать в серию? И кто решится всё это финансировать в весьма расплывчатой перспективе оправдывающего затраты массового внедрения? И вдруг, путешествуя очередной раз по соответствующим тематическим сайтам в Интернете, я увидел такой теплонакопитель наяву. А позаботились об этом всё те же предприимчивые немцы, предъявившие обществу не только идею (тут мы и сами с усами), а реально существующую серийную установку с соответствующим функциональному назначению наименованием — центральный теплонакопитель. Эти приборы подразделяются по принципу организации распределения тепла. С учётом сложившихся в отечественном ЖКХ традиций «жидкостного» переноса тепла наибольший интерес представляют центральные теплонакопители для жидкостной системы отопления. Однако, оглядываясь на многолетний позитивный опыт воздушного отопления, преимущественно используемого, например, в США и Канаде, необходимо обратить внимание и на теплонакопители для воздушной системы отопления.
Единственным принципиальным отличием центрального теплонакопителя для жидкостной системы отопления от его более простого, «воздушного» собрата является воздушно-жидкостный теплообменник. Само тепловое ядро — те же магнезитовые блоки, через щели которых принудительно продувается воздух, поступающий затем к теплообменнику.
Из рисунка отчётливо видно, что зона размещения теплового ядра и теплообменник пространственно разделены. И хотя увеличение длины пути воздушного потока от теплового ядра до собственно теплообменника негативно влияет на КПД устройства, это необходимо по соображениям безопасности его работы: желательно не забывать о рабочей температуре и общей теплоёмкости магнезитового блока. Попадание на его поверхность воды или другого жидкостного теплоносителя — вещь крайне нежелательная.
Ну а дальше всё просто: малошумящий вентилятор с регулируемым в широких пределах числом оборотов последовательно продувает воздух через каналы нагретого до 650оС теплового ядра и радиатор теплообменника, разогревая проходящую через него воду. Несложная система автоматики контролирует температуру наружного воздуха и заранее определяет необходимый объём аккумуляции тепла для следующего суточного цикла.
Разработанные немецкими инженерами и выпускаемые пока небольшими сериями подобные мини-котельные по диапазону тепловой мощности способны обслужить как достаточно большие коттеджи, так и средние многоквартирные дома.
К сожалению, промышленный выпуск центральных теплонакопителей пока трудно назвать массовым, что весьма негативно сказывается на их итоговой цене. И если в ориентированных на энергосбережение странах Западной Европы замена угольной или мазутной котельной на использующий резервы ночного электроэнергетического периода центральный теплонакопитель спонсируется государством, то мы на такую щедрость рассчитывать не можем. А вот подумать над оптимизацией конструкции центрального теплонакопителя — самое время.
И тут явно напрашивается одна совершенно очевидная идея: новая система отопления должна состоять из двух функционально и пространственно обособленных блоков. Первый — обычный динамический теплонакопитель — через небольшую и хорошо изолированную воздушную магистраль соединяется со вторым — блоком теплообменника — конструкцией стандартной и поэтому недорогой. Блок теплообменника хорошо отработан в серийном производстве, в том числе отечественном, а потому сравнительно недорог. Он весьма прост и при максимально возможной унификации с аналогами стоимость его также должна оказаться в разумных ценовых пределах. Стыковка этих блоков через закольцованный теплоизолированный воздуховод добавит минимум проблем, но даст ряд дополнительных степеней свободы в компоновке оборудования. Так что и отечественным инженерам заняться есть чем.
Хочется надеяться, что приведённые здесь рассуждения способны убедить потенциальных потребителей (и жильцов готовых домов, и деятелей ЖКХ) если не в немедленной покупке теплонакопителя, то уж точно — в актуальности пристального рассмотрения этой технологии в процессе проектирования и реализации современных высокоэкономичных систем отопления.
