ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ

42
Вестник ПГУ №1, 2010
Түйіндеме
Мақалада Қазақстан Республикасындағы жылусорғылық
технологиялардың энергетикалық тиімділігін көтеру жолдары
қарастырылған.
Resume
The article considers the ways jf improving the energy efficiency of
heat pump technologies in the Republic of Kazakhstan.
УДК 621.18:504 (574)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ТЕПЛОНАСОСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ В
РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН
А.Ш. Алимгазин1, С.Г. Бахтиярова1, А.Н. Бергузинов3
АО «Казахский аграрный технический университет
им. С. Сейфуллина», г. Астана1, Павлодарский государственный
университет им. С. Торайгырова
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов
представляет собой одну из актуальных проблем. Одним из перспективных
путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих
технологий и оборудования, использующих вторичные энергетические ресурсы
(ВЭР) и нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) [1-5].
Теплонасосные установки (ТНУ), используя возобновляемую
низкопотенциальную энергию окружающей среды и повышая ее потенциал до
уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивают в 3–8 раз меньше первичной
энергии, чем при сжигании топлива традиционными способами /6-11/.
По оценкам ряда зарубежных экспертов, теплонасосное теплоснабжение
из всех видов не­традиционной энергетики является наиболее быстро развиваю­
щейся отраслью, и в некоторых развитых странах оно уже явля­ется главным
конкурентом традиционной теплоэнергетики, основанной на сжигании
органического топлива.
В последнем отчете Межправительственной группы экспертов по
изменению климата (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change)
«Смягчение последствий изменения климата», теплоэнергетика определена
как одна из самых важных областей экономики для эффективного
внедрения новейших методов по снижению воздействия парниковых
серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
43
газов (GHG – Greenhouse Gas) намного менее затратную, чем, например,
транспортная отрасль.
Согласно данных статистических исследований, проведенных
зарубежными специалистами, установлено [12]:
- котельные установки выбрасывают в атмосферу в 500 раз больше СО на
единицу теплоты, чем ТЭЦ. При этом отопительные установки выбрасывают
СО в 20 раз больше, чем промышленные котельные;
- ущерб, причиняемый вредными выбросами в атмосферу мелкими
котельными установками в силу их размещения в зоне проживания людей
и ограниченных возможностей использования технических средств для
обезвреживания выбросов в 5 раз выше, чем от ТЭЦ.
Внедрение в Республике Казахстан эффективных экологически чистых
энергосберегающих технологий с применением теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ) дает возможность:
- экономии топливно-энергетических ресурсов;
- снижения вредных выбросов от теплогенерирующих установок, что
позволит существенно улучшить экологическую обстановку в различных
регионах страны;
- привлечения новейших технологий в различные отрасли промышленности,
жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.;
- снижения бюджетного финансирования на развитие систем
теплоснабжения различных объектов в Республике Казахстан.
- возможность, по оценкам российских и западных специалистов,
снижения расхода органического топлива на 20-25%, что, в свою очередь,
позволит значительно уменьшить эффект неблагоприятного воздействия на
окружающую среду и парниковый эффект.
Таким образом, Республика Казахстан обладает колоссальным потенциалом
энергосбережения. Поэтому внедрение новых энергосберегающих технологий
может дать ощутимое сокращение выбросов парниковых газов [13 ].
Необходимость государственного учета и регулирования выбросов
парниковых газов определяется участием Республики Казахстан в Рамочной
Конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН) и Киотском протоколе.
Как известно, 4 мая 1995 года Президент РК подписал Указ о ратификации
РКИК ООН, а 12 марта 1999 года был издан Указ Президента РК о подписании
Киотского протокола к РКИК ООН. 26 марта 2009 г. Президентом Республики
Казахстан был подписан Закон Республики Казахстан «О ратификации
Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединенных
Наций об изменении климата»/14/, а с 17 сентября 2009 г. Киотский протокол
официально вступил в силу для Республики Казахстан.
Чаще всего инвестиционные проекты, которые генерируют сокращения выбросов
парниковых газов, относятся к одному из двух типов – это либо проекты, направленные
44
Вестник ПГУ №1, 2010
на энергосбережение (абсолютное или относительное, на единицу продукции), либо
проекты, предусматривающие замену одного вида топлива другим.
Оценить углеродный эффект от реализации таких проектов можно с
помощью прилагаемой таблицы (см. pис. 1) [15].
Рисунок 1 - Средние коэффициенты эмиссии парниковых газов некоторых
видов топлива и изменения эмиссий ПГ при замене топлив, тонн СО2-экв./т.у.т.
Например, если меры по энергосбережению приводят к снижению [16].
- расхода мазута, то выбросы парниковых газов уменьшатся на
2,277 тонны СО 2-экв. В расчете на каждую тонну условного топлива
мазута, или на 3,12 тонны СО 2-экв. На каждую метрическую тонну;
- для угля сокращение составит 2,785 тонны СО2-экв. На тонну условного
топлива, или 1,67 тонны СО2-экв. На одну метрическую тонну;
- для дизельного топлива сокращение составит 2,158 тонны СО2-экв. На тонну
условного топлива, или 2,87 тонны СО2-экв. На одну метрическую тонну;
- для природного газа – 1,785 тонны СО2-экв. На тонну условного
топлива, или 2,0 тонны СО2-экв. На 1000 м3;
серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
45
- абсолютное снижение потребления электроэнергии из сети даст
сокращение выбросов в 0,5 тонны СО2-экв. в расчете на 1 Мвт-ч.
Если имеет место замещение мазута природным газом, то выбросы
парниковых газов сократятся примерно на 0,5 тонны СО2-экв. в расчете на
одну тонну условного топлива. Если природным газом замещается уголь, то
парниковые выбросы сократятся примерно на 1 тонну СО2-экв. в расчете на одну
тонну условного топлива. Если в качестве замещающего топлива используется
биотопливо (например, древесные отходы), то выбросы парниковых газов
сократятся на 2 тонны СО2-экв. в расчете на одну тонну условного топлива, когда
замещается дизельное топливо, на 2,2 тонны СО2-экв., когда замещается мазут,
и на 2,7 тонны СО2-экв., когда на древесные отходы переходят с угля.
Вредные выбросы при использовании теплового насоса – это выбросы в
месте производства электроэнергии (за источник электроэнергии принята ТЭС);
непосредственно же на месте установки тепловых насосов вредных выбросов нет.
В таблице 2 приведено сравнение экологической эффективности
тепловых насосов в сравнении с традиционными котельными, работающими
на органическом топливе [17].
Расчеты выполнялись для котельных тепловой мощностью 1.163 МВт
(1.0 Гкал/час), с годовой выработкой тепловой энергии 2 616 Гкал ; расход
топлива на ТЭЦ – 0,3 кг условного топлива на 1 КВт/час; теплотворная
способность: угля – 19,5 Мдж/кг, мазута – 39,0 Мдж/кг, природного газа
– 33,24 Мдж/кг.).
Таблица 2
Сравнительная таблица экологической эффективности
тепловых насосов по сравнению с традиционными
котельными, работающим на органическом топливе.
46
Вестник ПГУ №1, 2010
Как видно из таблицы 2, тепловые насосы с коэффициентом
преобразования энергии – 3,0 по сравнению с традиционными
котельными имеют:
- почти в 2 раза меньше выбросов оксидов азота, серы и углерода, чем
при работе на угле;
- более чем в 1,5 раза меньше, чем при работе на мазуте;
- на 30% меньше, чем при работе на природном газе.
- при коэффициенте преобразования энергии – 6,0 приведенные вред-ные
выбросы сокращаются еще в 2 раза.
Принимая удельный расход на выработку 1кВт.ч электроэнергии равным
300 г у.т., российскими специалистами дана сравнительную оценку вредных
выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных теплоисточников
тепловой мощностью 1,16 МВт (см. табл. 3) /17/.
Таблица 3
Сравнительную оценку вредных выбросов за отопительный
сезон (5448 ч) от различных теплоисточников
Вид вредного выброса,
т/год
SOx
NOx
Твёрдые частицы
Фтористые соединения
Всего
Котельная на угле
21,77
7,62
5,8
0,182
34,65
Электрообогрев
38,02
13,31
8,89
0,313
60,53
ТНУ, со средне-годовым
КОП =3,6
10,56
3,70
2,46
0,087
16,81
Внедрение теплонасосных технологий не оказывает отрицательного
воздействия на окружающую среду, т.к. работа ТНУ соответствует
санитарным нормам и законам Республики Казахстан в части охраны
окружающей среды.
Широкое применение теплонасосного оборудования для использования
низкопотенциальной теплоты от нетрадиционных экологически чистых
источников энергии позволит также решить проблему экологической
безопасности Республики Казахстан, особенно в зонах санаторно-курортной
застройки (Щучинско-Боровская зона и т.д.), где к охране окружающей среды
предъявляются особо повышенные требования.
Кроме того, применение ТНУ с использованием теплоты грунтовых вод,
грунта и т.д. в качестве альтернативных экологически чистых источников
теплоты дает возможность осушения территории застройки объектов, что
особенно актуально для ряда регионов страны: г. Астана, г. Атырау и т.д.
Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с
тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников
тепла даст возможность, по оценкам российских и западных специалистов,
снизить расход органического топлива на 20-25%, что, в свою очередь,
серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
47
позволит значительно улучшить эффект неблагоприятного воздействия на
окружающую среду.
Таким образом, работы, связанные с применением ТНУ, имеют ярко
выраженную экологическую направленность, так как внедрение этих
новых энергосберегающих технологий позволит существенно улучшит
экологическую обстановку в различных регионах страны, уменьшит выбросы
парниковых газов веществ в окружающую среду от сжигания различных
видов топлива.
Расчеты выбросов парниковых газов от энергетической деятельности
предприя-тий (сжигание топлива) производятся согласно [13].
Ниже с использованием данной методики приведены расчеты,
проведенные для конкретного объекта – ГУ «СШ№2 г.Семей»,
показывающие насколько уменьшатся выбросы парниковых газов от
существующей котельной на твердом топливе, если вместо нее установить
теплонасосную систему теплоснабжения.
Сравнительный анализ выбросов загрязняющих веществ
существующей котельной на твердом топливе и предлагаемой
теплонасосной установки
Расчет проведен по методике, изложенной в [13], для конкретного
объекта – ГУ «Средняя общеобразовательная школа №2 г.Семей», который
расположен по адресу – г.Семей, ул. Сатпаева, 218.
Существуюшая система отопления - автономная, 3 котла на твердом
топливе «Универсал – 6» (один из котлов - в резерве)
Площадь отапливаемых помещений – 5 921 м2
Стоимость электроэнергии для г. Семей – 6,22 тенге кВт/час
Продолжительность отопительного сезона для – 215 дней
Стоимость твердого топлива (уголь местрождения Каражыра) – 4 650 тенге/
тонну
Расход топлива (угля) за отопительный сезон – 1 056 тонн
Низшая теплота сгорания топлива Онр = 19, 469 МДж/кг
Стоимость топлива Стоп. = 4 616 000 тенге
Экологические платежи за отопительный сезон – 930 000 тенге.
Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельной
Котельная предназначена для отопления и снабжения школы горячим
водоснабжением, работающей в круглосуточном режиме.
48
Вестник ПГУ №1, 2010
Характеристика угля, используемого в котельной
Месторождение
Зольность Ар, %
Содержание серы
S р, %
Влажность
WР, %
Каражыра
30,0/22,0
0,7/0,5
18,0
Таблица 4
Низшая теплота
сгорания , QpH ,
МДж/кг
19,469
В процессе сжигания топлива большая часть углерода выбрасывается
непосредственно в виде CO2. Другие газы (СН4 и N2O) также оцениваются.
Весь высвободившийся углерод рассматривается в качестве выбросов CO2.
Неокислившийся углерод, остающийся в виде твердых частиц, сажи
или золы, исключается из общих показателей выбросов парниковых газов
путем умножения на коэффициент окисления углерода в топливе (который
показывает долю сгоревшего углерода).
Выбросы двуокиси углерода
Расчет выбросов СО2 при сжигании угля в существующей котельной
производится по формуле (1):
Е = М х К1 х ТНЗ х К2 х 44/12
(1)
где: Е - годовой выброс СО2 в весовых единицах (тонн/год);
М = 1 056 тонн - фактическое потребление топлива за год (тонн/год);
К1 = 0,98 – коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю
сгоревшего углерода),
ТНЗ = 19,469 ТДж/тыс.т- теплотворное нетто-значение;
К2 = 25,58 - коэффициент выбросов углерода (тыс т/ТДж);
44/12 – коэффициент пересчета углерода в углекислый газ (молекулярные
веса соответственно: углерод – 12 г/моль, О2 = 2 х 16 = 32 г/моль, СО2 = 44
г/моль).
По этим данным рассчитаем выбросы СО 2 для существующей
котельной:
Есо2 = 1 056 х 0,98 х 19,469/1000 х 25,58 х 44/12 = 1 889,75 тонн/год
1.2. Выбросы метана и закиси азота
Выбросы таких газов как метан (СH4) и закись азота (N2O) являются
результатом неполного сгорания топлива.
Выбросы этих газов, отличных от СО2, сильно зависят от технологии
сжигания и условий эксплуатации оборудования. Оценка выбросов СН4 и
серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
49
N2O производится на основе учетных по котельной школы по количеству
сожженного топлива.
Расчетная формула для расчета выбросов СH4 и N2O производятся по
формуле (2) Приложение.
Е = М х ТНЗ х К3
(2)
где: Е - годовой выброс парникового газа (тонн/год);
М = 1 056 тонн - количество сжигаемого в год топлива (тонн/год);
ТНЗ = 19,469 МДж/кг – теплотворное нетто-значение для сжигаемого вида
топлива (ТДж/тонн), табл.2 Приложения 1/ /;
К3 = 1 - коэффициент выбросов парниковых газов для СН4, (кг/ТДж),
таблица 3;
К3 = 1,4 - коэффициент выбросов парниковых газов для N2O, (кг/ТДж),
таблица 3;
По этим исходным данным рассчитаем выбросы СH 4 и N 2O для
существующей котельной:
Е СH4 = 1 056т/год х 19,469х10-6 ТДж/кг х 1 кг/ТДж= 0,020559 тонн/год
Е N2O = 1 056 т/год х 19,469 х10-6 ТДж/кг х 1,4 кг/ТДж = 0,028783 тонн/год
Перевод выбросов метана или закиси азота в СО2 эквивалент производится
путем умножения на 21 для СН4 и на 310 для N2O.
Пересчитаем выбросы метана и закиси азота в СО2 эквивалент путем
умножения на соответствующие коэффициенты:
Е СH4 = Е СH4 х 21= 0,020559 х 21 = 0,431739 СО2 эквивалента, тонн/год,
Е N2O = Е N2O х 310 = 0,028783 х 310 = 8,9227 СО2 эквивалента, тонн/год
2. Расчет возможных выбросов фреона от компрессорных установок ТНУ
Холодильные компрессоры ТНУ работают на фреоне R134а. Если бы
охлаждение компрессора производилось не водяным, а воздушным путем, то
возможные выбросы от компрессорных установок могли бы составить:
Расход на пополнение системы фреоном для компенсации его потерь
через не плотности определяется по формуле:
, (т/год)
где: Q – холодопроизводительность компрессоров, кВт;
M – расход фреона на пополнение системы, кг/(кВт*год);
, т/год
(3)
50
Вестник ПГУ №1, 2010
Максимальный выброс фреона в атмосферу рассчитывается по
формуле:
(г/сек)
(4)
где: ПДКм.р – предельно допустимая концентрация (максимально
разовая) по фреону, ПДКм.р=410 мг/м3;
В – производительность вентиляции, м3/час.
г/сек = 1,01 х 10 -15 тонны/год
3 . Сравнение выбросов парниковых газов от существующей котельной
на твердом топливе и теплонасосной установки
Результаты проведенных расчетов для двух систем автономного
теплоснабжения сведем в Таблицу 5.
Таблица 5
Сравнение выбросов парниковых газов от существующей котельной
на твердом топливе и теплонасосной установки
Парниковые газы
Выбросы от существующей
котельной в СО2 эквиваленте, т/год
СО2
СH4
N2O
Фреон R134а
Итого выбросов газов:
1 889,75
0,432
8,923
1 899,1
Выбросы от ТНУ,
в СО2 эквиваленте, т/год
1,01*10-15
1,01*10-15
Как следует из расчетов, применение ТНУ только в одной школе г.
Семей уменьшит суммарные выбросы парниковых газов на 1 899, 1 тонны
в год, а ведь только в одной Восточно-Казахстанской области действуют 310
школ с угольными котельными, не считая школ с котельными на дизельном
топливе и электрокотлами.
Следовательно, суммарный эффект от широкомасштабного внедрения
ТНУ на объектах жилищно-коммунального хозяйства, бюджетной сферы
(школы, больницы, детские учреждения, административные здания и
т.д.), промышленных предприятиях в различных климатических регионах
Республики Казахстан будет очень значителен, даст существенное уменьшение
выбросов парниковых газов в окружающую среду.
серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
ЛИТЕРАТУРА
51
1. Комплексная Программа энергосбережения Республики Казахстан на
период 2009-2010 годы (1 этап), утвержденная Постановлением Правительства
Республики Казахстан от 26 февраля 2009 года №221.
2. Закон Республики Казахстан «О поддержке использования
возобновляемых источников энергии» (№165-IV от 4 июля 2009 г.).
3. Региональный комплексный план по энергосбережению и использованию
возобновляемых источников энергии, вторичных энергетических ресурсов
на 2009-2010 годы города Астаны (1 этап). – Утвержден Постановлением
акима г.Астаны от 30 сентября 2009 г. №28-894п.
4. Попель О.С. Тепловые насосы – эффективный путь энергосбережения.
– «Проблемы энергосбережения» № 1, 1999 г., с.25-32.
5. Алимгазин А.Ш. Внедрение новых энергосберегающих теплонасосных
технологий с использованием альтернативных источников энергии
для автономного энергообеспечения жилых, административных и
производственных зданий в Республике Казахстан. – В Н.: Материалы научнопрактической конференции «Политика энергосбе-режения в Республике
Казахстан», Астана, 2008 г., с.106-111.
6. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. — М.: Энергоиздат,
1982. — 224 с.
7. Обзор рынка тепловых насосов в Швеции, Финляндии. //АВОК, 2002,
№1, с.40-41.
8. Петин Ю.М. Опыт десятилетия производства тепловых насосов в
ЗАО «Энергия».// Энергетическая политика, 2001, Вып.3, с.28-33.
9. Бутузов В.А. Перспективы применения тепловых насосов // Про­
мышленная энергетика. – 2005. - № 10.
10. Алимгазин А.Ш. Применение новых экологически чистых
энергосберегающих технологий в системах теплоснабжения жилых,
общественных и производственных зданий в различных климатических
регионах Республики Казахстан. – В Н.: Парламентские слушания
«Экологические, экономические и политические аспекты ратификации
Республикой Казахстан Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН
об изменении климата», г. Астана, 2006 г., с.186 -197
11. Алимгазин А.Ш. Применение новых экологически чистых и энергосберегающих
теплонасосных технологий для теплоснабжения объектов бюджетной сферы в г.Астане
и других климатических регионах Республики Казахстан. – Вестник Национальной
Академии Наук Республики Казахстан, №4, 2009 г., с.28-31.
12. Energie (ФРГ) – 1986 г.- В. 34.- №4.
13. Методика расчета выбросов парниковых газов, утвержденной
приказом Мини-стра охраны окружающей среды Республики Казахстан от
24 ноября 2009 г. N251-п 
52
Вестник ПГУ №1, 2010
14. Закон Республики Казахстан «О ратификации Киотского протокола
к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении
климата» (№ 144-IV от 26 марта 2009 г).
15. Самородов А.В. АНО «Центр экологических инвестиций», 2002 г.
16. Юлкин М.Н. АНО «Центр экологических инвестиций». Углеродные
инвестиции в Россию: процесс пошел. - В журн. «Мировая энергетика»,
сентябрь 2005г., № 9 (21).
17. Технологии и системы использования низкотемпературных и
возобновляемых источников энергии. – В журн. «Проблемы Энергосбережения»,
август 2002 г., Выпуск 12 (3).
Түйіндеме
Мақалада Қазақстан Республикасындағы әртүрлі объектілерінде
жылумен жабдықтау үшін жылусорғылық технологияларды
қолданудың экологиялық аспектілері қарастырылған.
Resume
The article considers the ecological aspects of the application of heat
pump technologies for heat supply of various objects in the Republic of
Kazakhstan.
УДК 621.31
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ В СЕТИ
НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В НА ЭКСКАВАТОРЕ ЭКГ-8И
С.Т. Амургалинов, Б.Б. Утегулов,
А.Б. Уахитова, А.Б. Утегулов
Павлодарский государственный университет им. С Торайгырова
Разработанный метод определения параметров изоляции в симметричной
сети в изолированной нейтралью напряжением до 1000 В экспериментально
исследуется на ее достоверность в производственных условиях. Для этого
производятся сравнения результатов определения параметров изоляции
разработанного метода с методом амперметра-вольтметра, разработанный
в Московском горном институте профессором Л.В. Гладилиным.
Метод амперметра-вольтметра основан на измерении величины
модуля напряжения фазы относительно земли и измерении величины
модуля полного тока замыкания на землю, а также основан на подключении