Системы теплоснабжения (СТС) являются совокупностью технических устройств, агрегатов и подсистем, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортировку и распределение в соответствии со спросом на теплоту по отдельным потребителям. Однако, многие из этих систем сталкиваются с проблемами, такими как высокие энергетические потери, недостаточная эффективность и экологические проблемы. Поэтому повышение эффективности СТС является актуальной задачей для устойчивого развития и снижения негативного влияния на окружающую среду. К основным проблемам низкой работоспособности систем теплоснабжения относятся тепловые потери, высокая температура подачи энергоносителя, низкая эффективность генерации тепловой энергии.

Излишние теплопотери являются одной из основных проблем СТС. Они могут быть вызваны неправильным утеплением трубопроводов, утечками, низким качеством изоляции и другими факторами. Теплопотери приводят к неэффективному использованию энергии и повышенным затратам. В некоторых системах теплоснабжения температура подачи может быть слишком высокой, что приводит к повышенным потерям тепла и неоптимальному использованию энергии. Это может быть вызвано неправильным распределением тепловой энергии, недостаточным контролем и регулированием системы. К тому же многие системы теплоснабжения используют устаревшие технологии и оборудование, что приводит к низкой эффективности генерации теплоты. Как правило, это связано с неправильным выбором теплогенераторов, отсутствием регулярного обслуживания и снижением производительности из-за старения оборудования.

Предлагается несколько решений для повышения эффективности СТС, применение которых возможно на практике. Например, использование тепловых насосов (ТН), которые могут значительно повысить эффективность систем теплоснабжения. В качестве предлагаемой СТС может быть рассмотрен вариант, традиционно состоящий из источника теплоснабжения, транспортных коммуникаций и систем теплопотребления, в состав которых включены ТН. Применение ТН в системах отопления зданий позволит поддерживать температуру воздуха в отапливаемых помещениях в автоматическом режиме. При этом регулирование тепловой нагрузки будет осуществляться по температуре внутреннего воздуха, а не наружного, как это происходит в системах с погодным регулированием. Использование тепловых насосов в системе теплоснабжения имеет несколько преимуществ. Во-первых, ТН могут использовать различные источники тепла, такие как воздух, вода или грунт, что делает их универсальными и экологически чистыми. Во-вторых, ТН обладают высокой эффективностью, так как они переносят тепло из низкотемпературной среды в высокотемпературную среду с использованием минимального количества энергии, что позволяет снизить затраты на энергию и снизить выбросы парниковых газов. В-третьих, ТН обеспечивают стабильный и непрерывный источник тепла, что является важным для обеспечения комфортных условий в зданиях.

Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке 1, индивидуального теплового пункта (ИТП), оснащенного ТН парокомпрессионного типа [1]. В испаритель 2 из подающей магистрали теплосети поступает теплоноситель с температурой t₁ = 30 ÷ 35 ℃. В качестве источника низкопотенциального теплоносителя используется контур охлаждения конденсаторов паротурбинных установок теплоэлектроцентрали. В испарителе теплоноситель снижает свою температуру до t₂ = 20 ÷ 25 ℃, отдавая свою теплоту фреону, с преобразованием его в парообразное состояние. Сжатие парообразного фреона в компрессоре позволяет повысить его температуру до 100 ÷ 150 ℃, который затем поступает в конденсатор 4, где происходит охлаждение и его конденсация. Отводимая в конденсаторе от фреона теплота передается воде, циркулирующей по внутридомовому контуру отопления между отопительными приборами и конденсатором.

Рисунок 1. Принципиальная схема ИТП с ТН

В представленной схеме ИТП подключение контура ГВС реализуется по закрытой системе. Нагрев водопроводной воды для контура ГВС происходит в 2 этапа: сначала в водонагревателе I ступени 8, где в качестве греющей среды выступает остывшая вода из системы отопления, а затем в водонагревателе II ступени 9, где греющей средой служит нагретый в конденсаторе теплоноситель, направляющийся в систему отопления. Отопительная нагрузка является сезонной, а нагрузка ГВС – круглогодовой. Температура теплоносителя в системе отопления должна меняться в зависимости от температуры наружного воздуха, а температура воды в системе ГВС должна быть постоянной в течение всего года. Для выполнения этого условия у водонагревателя II ступени установлен регулятор температуры 12, который регулирует расход греющей среды на входе в теплообменник 9. Циркуляция теплоносителя в отопительном контуре обеспечивается за счет работы циркуляционного насоса 10, циркуляция воды в контуре ГВС – насосом 11. В летний период контур отопления 7 отключается и открывается перемычка 13. В этом случае конденсатор ТН будет работать только для нагрева воды контура ГВС.

Индивидуальные тепловые пункты подобного вида могут быть установлены в подвальном помещении любого здания или в отдельно стоящем прилегающем сооружении. Для работы ТН потребуется затрата электрической энергии на приводе компрессора. В современных парокомпрессионных установках на 1 кВт·ч затраченной электроэнергии вырабатывается не менее 4 кВт·ч тепловой энергии, что зависит от температуры воды и количества теплоты, поступающей из конденсатора паровой турбины при его работе в режиме ухудшенного вакуума. Данную теплоту можно рассматривать в качестве теплового отхода при производстве электрической энергии на теплоэлектростанции.

На рисунке 2 представлены графики зависимости требуемой и фактически подводимой тепловой энергии от средней температуры наружного воздуха по месяцам отопительного периода города Санкт-Петербурга.

Рисунок 2. Графики зависимости требуемой и фактически подводимой тепловой нагрузки от средней температуры наружного воздуха по месяцам отопительного периода

Результаты сопоставления свидетельствуют о практическом совпадении тепловых нагрузок в период с ноября по март, с некоторым превышением фактически подводимой теплоты над требуемой величиной. Данное превышение в указанный период составляет 6 – 7 %. Все же в переходные периоды, а именно с начала отопительного сезона по ноябрь и с марта по конец отопительного сезона, наблюдается явное перетапливание здания. В указанные периоды фактически подводимая теплота превышает требуемое ее количество на 25 ÷ 30 % [2]. Разность фактически подводимой теплоты и отопительной нагрузки показывает количество неэффективно используемой теплоты в системах отопления.

Внедрение системы управления и мониторинга позволят оптимизировать работу системы теплоснабжения, предоставляя точную информацию о потреблении, температуре, давлении и других параметрах. Это позволяет регулировать работу системы в реальном времени и максимально эффективно использовать ресурсы. Системы управления и мониторинга позволяют выявлять потери энергии и оптимизировать процессы, что приводит к повышению эффективности системы теплоснабжения. Например, автоматическое регулирование температуры и распределение тепла позволяют снизить потери и снизить затраты на энергию. Системы мониторинга позволяют раннее обнаруживать возможные проблемы, такие как утечки, неисправности оборудования или неправильное функционирование системы [3]. Это позволяет принять меры по их устранению до того, как они приведут к серьезным последствиям и повышенным затратам. Системы управления и мониторинга предоставляют данные и аналитику, которые помогают в планировании и прогнозировании потребности в тепле и ресурсах, что позволяет эффективно распределять ресурсы, предотвращать перегрузки и снижать нагрузку на систему.

Возможно использование искусственного интеллекта и алгоритмов машинного обучения для анализа данных и оптимизации работы системы теплоснабжения. Например, они могут предсказывать потребление и оптимизировать распределение ресурсов. Также имеет место быть интеграция систем управления и мониторинга с другими системами, такими как системы умного дома или умного города, что может повысить эффективность и обеспечить более удобное и интеллектуальное управление системой теплоснабжения [4].

Использование современных теплозащитных материалов позволяет снизить потери тепла в системе теплоснабжения, что является ключевым фактором для повышения энергоэффективности.

Теплозащитные материалы – это материалы, которые обладают способностью снижать потери тепла при его передаче. Они могут быть применены в различных элементах СТС, таких как изоляция трубопроводов, теплоизоляционные панели и др [5]. Современные теплозащитные материалы обладают высокой теплозащитной способностью, что позволяет снизить потери тепла и повысить энергоэффективность системы теплоснабжения.

Примеры современных теплозащитных материалов:

1. Пенополиуретан (ППУ) является одним из самых эффективных теплозащитных материалов. ППУ является полимерным материалом, получаемым путем полимеризации изоцианатов и полиолов. Он обладает низкой теплопроводностью, что делает его отличным материалом для теплоизоляции. Кроме того, ППУ обладает высокой механической прочностью, химической стойкостью и устойчивостью к воздействию влаги. Одним из основных способов применения ППУ в СТС является его использование в трубопроводах. ППУ-изоляция наносится на поверхность трубы в виде пены и обеспечивает эффективную теплоизоляцию. Это позволяет снизить потери тепла в трубопроводах и улучшить энергоэффективность системы. Кроме того, ППУ-изоляция также защищает трубопроводы от коррозии и механических повреждений, имеет долгий срок службы и не требует дополнительных затрат на обслуживание и замену.
2. Минеральная вата – теплоизоляционный материал, производимый из базальтовой породы или стекловолокна. Она обладает высокой теплоизоляционной способностью и низким коэффициентом теплопроводности. Минеральная вата может быть использована для изоляции трубопроводов, бойлеров, теплообменников и других элементов СТС, широко используется для изоляции трубопроводов и кровельных конструкций.
3. Аэрогель – это вещество с очень низкой теплопроводностью, которое обладает высокой теплозащитной способностью. Аэрогель, благодаря своей высокой плотности и способности задерживать тепло, может быть применен для создания теплоаккумулирующих элементов в СТС. Например, аэрогель может быть использован для создания теплоаккумулирующих батарей или теплоемких резервуаров. Это позволяет эффективно использовать накопленное тепло и снизить затраты на энергию. Применение таких материалов в системах теплоснабжения может привести к существенному улучшению энергоэффективности и снижению затрат на обеспечение теплом потребителей. Также для повышения эффективности СТС возможна интеграция нетрадиционных источников энергии, что может значительно снизить зависимость от традиционных источников энергии и снизить негативное влияние на окружающую среду [6].

Возобновляемые источники энергии – это источники энергии, которые восполняются непрерывно или в течение короткого времени. Они включают такие источники, как солнечная энергия, ветер, гидроэнергия, геотермальная энергия и биомасса [7]. Примерами интеграции возобновляемых источников энергии в СТС может быть установка солнечных коллекторов на крышах зданий, а также ветрогенераторов, что позволит генерировать электроэнергию из ветра, которая может быть использована для работы тепловых насосов или электрических котлов.

Повышение эффективности СТС является одной из ключевых задач энергетической области для повышения устойчивости системы. Использование новых технологий, оптимизация процессов и интеграция возобновляемых источников энергии могут значительно повысить эффективность системы теплоснабжения и снизить негативное влияние на окружающую среду. Внедрение систем управления и мониторинга в СТС является важным шагом для повышения эффективности, оптимизации работы и снижения затрат. Преимущества таких систем, включая оптимизацию работы, повышение эффективности и раннее обнаружение проблем, делают их неотъемлемой частью современных систем теплоснабжения. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к новым инновационным решениям и улучшению эффективности СТС.