Опалювальне обладнання напередодні революції

Сергій Золотов

Сьогодні вся діяльність інженерів-розробників компаній, що постачають опалювальне обладнання, розглядається з точки зору ймовірного швидкої появи технології, яка змінить сьогоднішню модну газоконденсатних.

Ці питання були на порядку денному пленарних заходів, що входили до програми франкфуртської виставки ISH-2001. І, крім газових теплонасосів, неодмінно мова йшла про пристроях, що діють на основі паливних елементів. А також про мікротеплоенергетіческіх муфтах. У рамках вирішення завдання енерго-та теплозабезпечення односімейні котеджу такий пристрій об'єднує в собі газоконденсатних бойлер і двигун Стірлінга.

Сьогодні розвиток виробництва опалювального обладнання підтримується цілою низкою факторів, пов'язаних з новими технологіями. І можна говорити про нерівному розвитку європейського ринку. Ослаблення попиту на опалювальне обладнання в Німеччині супроводжується відповідним зростанням, які спостерігаються у Франції та Польщі.

У світлі змалював ситуацію зрозуміле прагнення безлічі виробників до технологічному відповіді на існуючий технічний запит.

Що ж стосується вищезазначених паливних елементів, то даний технічний аспект був предметом активного обговорення в середовищі професіоналів протягом всього 2002р. Після того, як в ході виставки ISH-1999 компанія Vaillant заявила себе як перша пілотного випробувача технології паливних елементів і конструюється на основі даної технології обладнання, Viessmann, Buderus і Bosch також звернули саме пильну увагу на це рішення.

Протягом наступних трьох років компанією Vaillant були здійснені поставки 400 пристроїв замовникам ряду держав Європи. Зокрема, в 2002р. польових випробувань були піддані 50 децентралізованих систем опалення, управління якими здійснювалося як малої єдиної енергосистемою (так званої віртуальної електростанцією).

Участь у випробуваннях взяли Plug Power Holland, Gasunie (NL, Ruhrgas, RWE Power), університети Лісабона та Ессена, Німецький аерокосмічний центр, Європейська теплоенергетична асоціація, а також іспанська компанія Sistemas de Calor.

А вже з початку 2004р. здійснюватимуться серійне виробництво і регулярні поставки. Що ж стосується Vaillant, то дана компанія до 2010р. має намір здійснити до 100тис. європейських поставок, при цьому тільки в Німеччині - до 40тыс. Перші з пропонованих сьогодні на ринку пристроїв, що діють на основі паливних елементів, забезпечують 4,6-кіловатні енергопостачання або 35-кіловатні теплопостачання, то є типові характеристики, що відповідають вимогам житла, розрахованого на проживання 6 родин (або аналогічного за параметрами приміщення, призначеного для здійснення малого бізнесу).

Інтерес постачальників електроенергії та газу до пристроїв, що діють на основі паливних елементів, говорить про існування процесу розвитку революційної технології, який може протікати в рамках класичної промисловості опалювального обладнання та поза нею. У той час як постачальники газу розглядають використання паливних елементів як окрему технологію, сприяє збереженню привабливості такого палива, як газ, сьогодні, коли все більш популярними стають будівлі низької енергоємності, постачальники електроенергії опинилися перед лицем нового виклику у вигляді, можливо, багатьох тисяч BZH (такий абревіатурою позначаються пристрою в Німеччині, про які йде мова).

Треба сказати, що практично одночасно з поширенням в Німеччині ідеї паливних елементів в Нідерландах було розроблено таке новий пристрій, як мікротеплоенергетіческая муфта (microthermal power coupling, або MTPC). Як і BZH, MTPC дозволяє одержувати одночасно електричну і теплову енергію при використання природного газу.

Дане пристрій був розроблений силами об'єднання EnAtEc, заснованого в 1997р. двома компаніями - постачальником електроенергії EneCo і виробником опалювального обладнання ATAG Verwarming, а також центром досліджень в галузі енергетики ECN. Керівники ATAG переконані, що пристрої MTPC є гідною відповіддю на питання про те, що може сприяти успіху газоконденсатної технології.

Рішення Стірлінга викликає у них хвилю ентузіазму: ще б пак, адже крім компактності і енергоефективності впровадження даної технології означає перехід до використання обладнання, що вимагає мінімального нагляду.

Після того, як експерти EnAtEc переконаються в надійності роботи пристроїв MTPC, об'єднанням планується початок випуску широкої гами продукції даного типу в 2003 ... 2004рр. Ну, а до 2010р. пристрій повинен міцно утвердитися на ринку.

Тому після виставки ISH-2003 запланована низка зустрічей представників EnAtEc з постачальниками газу та електроенергії різних європейських країн. Темою дискусій і буде вироблення відповідної ринкової політики на найближчі роки.

Не менш що обіцяє, ніж паливні елементи і двигун Стірлінга, продовжує вважатися теплонасос. Ось уже котрий рік він користується попитом, що росте. Stiebel Eltron констатує, що протягом 2002р. було встановлено приблизно 5,5 тис. теплонасосів. 90% від загальної кількості встановлених у Німеччині теплонасосів (50тис.) служить для опалення осель, 10% використовується в комерційній, промислової і сільськогосподарської сферах. Сьогодні теплонасоси пропонуються багатьма компаніями. І спостерігається цікаве поєднання зниження (на тлі зростання цін на нафту і газ) цін на електроенергію і збільшення привабливості електронних теплонасосів на ринку опалювального обладнання. До того ж, багато постачальники електроенергії активно просувають теплонасоси, всіляко заохочуючи потенційних споживачів. Хто намагається залучити інвестора субсидією, хто знижками.

Треба сказати, що в даний час ведеться дуже велика робота, спрямована на забезпечення можливості використання газу в поєднанні з тепловим насосом. Згадки в цiй зв'язку заслуговують і теплонасос Vuilleumier, оснащений газовим пальником Viessmann, і теплонасос Vaillant, експлуатація якого також припускає спалювання газу, а також цеолітову систему водопідготовки. Серію польових випробувань останньої версії газового теплонасосу дифузійного поглинання успішно завершила компанія Buderus.

Сьогодні вона готова запропонувати нову модель, що отримала назву Loganova GWP, на ринку. До переваг моделі відносяться відсутність рухомих частин, безшумність роботи, відсутність вібрацій і мінімальний контроль та догляд.

Майбутнє покаже, які з що з'явилися нещодавно нових технологій будуть домінувати на ринку, чи є у таплонасосів на газовій тязі шанс змагатися з такими на електричної, чи стануть офіційними технологічними лідерами паливна осередок або двигун Стірлінга, або ж всі відомі сьогодні системи просто поділять ринок між собою. Не варто забувати, що в тих місцевостях, де і за досі не прокладені газові магістралі, ще якийсь час неминуче будуть використовуватися традиційні опалювальні установки.

Полімерелектролітная мембрана як основа дії паливного елемента

Дія паливного елемента нагадує електроліз, тільки поновлюваний. Водень «згоряє», з'єднуючись з киснем повітря. Реагенти обмінюються електронами. Вироблене тепло використовується для обігріву та нагрівання води. Кожна паливна осередок є анод і катод, розділені електролітом. Роль останнього є вирішальною, тому що він, з одного боку, проводить іони, з іншого - є ізолятором. Дослідження, проведені в усьому світі, здійснювалися з використанням різних електролітів. Сукупність характеристик цих речовин передбачає цілий ряд температур застосування і цілий ряд паливних якостей. Наприклад, низькотемпературний паливний елемент, використовуючи чистий водень, обумовлює температуру реагування в області 90 ° C. Використовуваний електроліт являє собою тонку пластикову мембрану. Ця мембрана, через яку можуть проникати протони, і повідомляє незвичайного виду палива його назва: паливна комірка, що діє на основі використання полімерелектролітной мембрани (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, або PEM).

У числі активних інвесторів у розвиток даної технології, необхідні дослідження -- і компанія Vaillant. У 1999р. було засноване спільне підприємство, в яке увійшли компанії Plug Power і GE Fuel Cell Systems (США). У цій спільноті Vaillant належить роль інтегратора системи, що одержує PEM-осередку і елементи газової апаратури від Plug Power і випускає з використанням своїх контролерів і інверторів опалювальне обладнання, яке пропонується як власне партнерам та клієнтам Vaillant, так і європейським партнерам General Electric. Виробник оцінює європейський ринок 2010 року на рівні приблизно 250тис. щорічно пропонованих пристроїв. При цьому левова частка цього кількості (приблизно 100тис. одиниць), як очікується, буде реалізована в Німеччині.

Мікротеплоенергетіческая муфта

Протягом останніх кількох років робилися спроби втілити концепцію двигуна Стірлінга в прибуткових і технічно заможних продуктах.

У 1816г. Роберт Стірлінг, міністр у справах церкви Шотландії, звернувся за патентом на пристрій підігріву повітря. Двигун Стірлінга працює з постійним об'ємом повітря або газу. Стінка циліндра в одного з його кінців підігрівається (наприклад, за допомогою газового пальника), внаслідок чого газ, що знаходиться в циліндрі, також нагрівається і розширюється. На іншому кінці циліндра газ віддає свою енергію теплообміннику (наприклад, циркуляційної водній системі). У початковому варіанті теплової машини повітря переміщається одним ходом поршня з гарячої області в холодну і назад. У 1818г. машина такого типу була використана в одній з каменоломень як привід насоса, відкачують воду. Концепція EnAtEc грунтується на використанні двигуна Стірлінга, побудованого STC (Університет штату Вашингтон, США). Це FPSE (free piston Stirling engine) - двигун Стірлінга з вільним поршнем з кіловатним лінійним електрогенератором. Дане рішення не передбачає перетворення руху поршня на обертальний.

Витискувач і робочий поршень здійснюють зворотно-поступальний рух вздовж загальної осі, будучи з'єднаними інерційної пружинної системою. Завдяки конструкції, яка включає дискові пружини, постійні і котушкові магніти, шукана енергія може бути й виходила на робочому кінці циліндра в результаті малого коливання. Перевага: немає тертя, отже, немає зносу.

Мікротеплоенергетіческая муфта від EnAtEc являє собою комбінацію двигуна Стірлінга (електроеффектівность близько 10%) і теплообмінника з нержавіючої сталі, який складається з газоконденсаторов виробництва ATAG (теплоеффектівность 109%). Машина Стірлінга приводиться в дію за допомогою газового полум'я, виробляючи тепло і електричний струм. Після цього тепло гарячого вихлопу повністю переходить в теплообмінник, тепловий потенціал якого знаходиться в межах від 6 до 10кВт. Конструкція передбачає пряме підведення до теплообміннику додаткового природного газу в періоди пікових навантажень за допомогою використання спеціальної пальники. Тепловий потенціал всієї муфти знаходиться в межах від 6 до 24кВт. Вона працює з усіма видами газового палива. Даний двигун Стірлінга розрахований на роботу протягом 60тис. годин, або 15 років. Якщо вірити EnAtEc, муфта дає змогу зберегти до 15% енергії (враховуючи як електричну, так і газову складові) у порівнянні з окремим виробництвом тепла традиційними ТЕЦ включаючи трансмісійні втрати.

Дослідницький проект «Цеолітовий теплонасос»

Vaillant розробляє газовий теплонасос на основі цеолітової-водної системи. Дане пропозиція розглядається як альтернатива електронному теплонасосу і газовому бойлеру. Відповідний бізнес-план буде представлений на ринку в 2004р.

Цеоліт, керамікообразний матеріал, отриманий з оксидів алюмінію і кремнію, нетоксичний і негорючий. Робота теплонасосу грунтується на здатності ніздрюватого цеоліту утримувати велику кількість вологи, яка випускається масивом цеоліту при його нагріванні. Для більшої ефективності процесу його протікання організовано в вакуум-контейнері, який є одним з модулів теплонасосу.

Непрямий нагрів вологого цеоліту здійснюється за допомогою провідника, що одержує теплову енергію від газового пальника. Випаровується вода конденсується в теплообміннику, одержана при цьому тепло йде на потреби опалення. Після того, як температура цеоліту досягає максимуму, матеріал знову охолоджується.

видаляється з цеоліту вода випаровується при низькій температурі з використанням тепла навколишнього середовища, після чого знову поглинається охолодженим цеолітом. Процес відновлюється, коли цеоліт знову наповнюється водою.

Концепція вайллантовского нагрівача вимагає використання двох однакових теплонасосів, в яких синхронізовані різні фази процесу.

Середньорічний показник утилізації тепла оцінюється на рівні 135%. Це означає економію енергії та зменшення обсягу викидів CO2 приблизно на 20% у порівняно з газоконденсатної технологією і на 30% - з низькотемпературними бойлерами.

Дифузійні поглинальні теплонасоси (DAWP)

З 1996 Buderus активно розробляє дифузійний поглинальні теплонасос (diffusion absorbtion heat pump, або DAWP).

Дослідницький проект, вперше представлений на ISH-99, благополучно минув етап польових випробувань. Компанія була відзначена спеціальною премією газової промисловості Німеччини за роботи, пов'язані з використанням природного газу і поновлюваними джерелами енергії. Газовий теплонасос Loganova GWP з'явився одним з головних експонатів стенду Buderus на ISH-2001.

DAWP включає газовий теплонасос, що працює на основі використання водного розчину аміаку як робочого тіла, а також гелію.

У ході циклічного процесу робоче тіло (NH 3) дифундує в гелієву атмосферу. Гелій виступає як єдино допоміжного газу, що компенсує тиск, і не бере участі в обмінних процесах.

Завдяки низькому парціальному тиску гелієвої атмосфери аміак випаровується, поглинаючи енергію навколишнього середовища. Суміш парів аміаку з гелієм протікає через теплообмінник в поглинач. Тут водний розчин аміаку з невисоким змістом NH 3 поглинає аміак, збагачуючись ім. (Гелій ж слід назад через теплообмінник.) В процесі поглинання виробляється корисне тепло. Після поглинача водний розчин, збагачений аміаком, потрапляє в сепаратора вологи.

Тут у процес включається газовий пальник, що повідомляє йому тепло. Завдяки низькій температурі кипіння аміак випаровується і в процесі ректифікації відокремлюється від води, необхідність в якій вичерпана. Вода тече назад у поглинач. Пари аміаку, Згущаючи, виділяють додаткове тепло, після чого цикл відновлюється.

Конструкція DAWP припускає дію пристрої на основі лише гравітаційної циркуляції. Тому вага його значний, констатують фахівці Buderus. Зате воно обходиться без рухомих частин - насосів, клапанів. Перевага технології полягає в безшумної і безвібраціонной роботі обладнання, яке практично не потребує обслуговування.

ККД пристрою складає приблизно 1,5.

Для практичного застосування передбачається комбінація DAWP і газоконденсатного бойлера, який підключається під час пікових навантажень.

Якщо вірити Buderus, така система в змозі забезпечити на 20 або навіть на 30% більшу утилізацію тепла, ніж сьогоднішні газоконденсатні бойлери.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/