Продвижение прогрессивных систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов

ННОУ Всемирный технологический университет

Программа MBA Start

Магистерская аттестационная работа по программе MBA Start

Продвижение прогрессивных систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов

Автор: Cултангулов Дамир Миниахметович

студент группы 080505

Научный руководитель:

Смирнова Светлана Михайловна

Работа допущена к защите решением Методического Совета программы MBA Start _____ февраля 2010 г.

2010 г.

г. Москва

Содержание

Введение

Раздел 1. Сущность тепловых насосов как нового товара на рынке современных отопительно-нагревательных бытовых систем

1.1 Назначение и область применения тепловых насосов в автономных системах теплообеспечения современных коттеджей

1.2 Основные характеристики бытовых тепловых насосов для автономных систем теплоснабжения

1.3 Исследование конкурирующих видов тепловых насосов для автономных систем теплоснабжения

Раздел 2. Исследование спроса и предложения на рынке отопительно-нагревательной бытовой техники (сегмент тепловых насосов) в Украине

2.1 Анализ маркетинговой среды сбытовой деятельности ООО "Олчеми

2.2 Анализ товарного ассортимента тепловых насосов ООО "Олчеми" и обеспечения трех уровней реализуемого товара

2.3 Анализ перспектив продвижения тепловых насосов ООО "Олчеми" на рынке тепловых насосов Украины и формирование управленческой проблемы бизнес-проекта расширения рынка

Раздел 3. Технико-экономические расчеты схем продвижения тепловых насосов на рынке отопительно-нагревательной бытовой техники в Украине с использованием банковского кредита

3.1 Оценка емкости, географии прогнозного рынка сбыта и структуры прогнозных каналов сбыта тепловых насосов в Украине

3.2 Бизнес-идея проекта усовершенствования каналов сбыта ООО "Олчеми" по продвижению тепловых насосов на рынке Украины

3.3 Финансово-экономический анализ эффективности бизнес-проекта ООО "Олчеми" по продвижению тепловых насосов на рынке Украины

3.4 Резюме бизнес-проекта ООО "Олчеми" для инвесторов

Заключение

Библиография

Приложения

Введение

По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 г. в развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов [7]. Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе (его специалисты называют низкопотенциальным теплом.) Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4 кВт тепловой энергии.

Теплонасосные установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкоки-пящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2...2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение теплонасосных установок - это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов, и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 (парникового газа) в атмосферу. Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с энергетикой.

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализован-ным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепло-вая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок - универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топлив-ный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефи-цитными.

Еще одно преимущество теплонасосных установок - широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоис-точников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

В США, Японии, Германии, Швеции, Швейцарии, Австрии, Финляндии такие установки внедряются просто скоростными темпами. Настоящим лидером использования тепловых насосов является все-таки Швеция, осуществляющая тотальную программу их внедрения. В этой стране для работы тепловых насосов используется вода Балтийского моря с температурой +4 °С. Станция мощностью 320 МВт расположена на шести баржах, причаленных к берегу. К настоящему времени в мире эксплуатируются свыше 15 млн. тепловых насосов мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт, а рынок ежегодных продаж составляет около миллиона установок.

Применение и особенно производство тепловых насосов в Украине развивается с большим опозданием. Пионером в области создания и внедрения тепловых насосов в бывшем СССР был ВНИИхолодмаш. В 1986-1989 гг. ВНИИхолодмашем был разработан ряд парокомпрессионных тепловых насосов теплопроизводительностью от 1 7 кВт до 11,5 МВт двенадцати типоразмеров "вода-вода" (в том числе морская вода в качестве ИНТ для тепловых насосов теплопроизводительностью 300... 1000 кВт), "вода-воздух" (тепловые насосы на 45 и 65 кВт). Большая часть тепловых насосов этого ряда прошла стадию изготовления и испытания опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (тепловые насосы теплопроизводительностью 14; 100; 300; 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. и почти до 1992 г. может быть оценен в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих тепловых насосов оценивается в 40 МВт.

Примером может служить созданный в этот период тепловой насос мощностью 5 МВт на базе центробежного компрессора для теплонасосной установки целлюлозно-бумажного комбината ПО "Светогорск" (Карелия). Эта установка общей тепловой мощностью 27 МВт утилизировала теплоту сбросной воды с температурой 30...35 °С охлаждающей системы технологических аппаратов в цехах и повышала до 75...80 °С потенциал сбросной воды, которая использовалась в системе теплоснабжения целлюлозно-бумажного комбината и г. Светогорска.

Хорошо зарекомендовали себя холодильно-нагревательные машины типа ТХУ для молочных ферм, которые утилизировали теплоту охлаждаемого молока для технологических нужд. В этот период институтом был разработан целый ряд принципиально новых тепловых насосов - абсорбционных, компрессионно-резорбционных, компрессионных, работающих на бутане и воде в качестве рабочего вещества и др.

Последующий период по известным причинам характеризовался спадом спроса на такое новое энергетическое оборудование, каким являются тепловые насосы. Многие освоенные машины и новые разработки оказались невостребованными.

В Украине тепловые насосы только-только начинают появляться. Если солнечные батареи и ветровые электрогенераторы широко известны, то о тепловых насосах мало что известно даже в среде строителей, а уж потребители и вовсе довольствуются лишь слухами. Самых распространенных два: что это слишком дорогое удовольствие и что так попросту не бывает, потому что все очень уж хорошо получается.

Актуальность темы аттестационного ислледования состоит в необходимости разработки стратегии развития нового направления в деятельности предприятия по поставке холодильной техники иностранных производителей ООО "Олчеми" в Украине - поставке иностранного оборудования и технологий эффективного использования энергии, которое приобретает всё большее значение: потребитель заинтересован в экономичном расходовании своих средств и заботе об окружающей среде, не отказываясь при этом от комфорта.

Предметом аттестационного исследования являются текущее состояние, а также перспективы развития спроса и предложения тепловых насосов на рынке отопительной техники в Украине.

Объектом аттестационного исследования является перспективная продукция компании ООО "Олчеми" - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр, солнечная энергия) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Целями аттестационного исследования являются:

1. Исследование теоретических и практических аспектов продвижения прогрессивных систем энергосбережения на рынок;

2. Анализ текущего состояния и разработка перспективных предложений организации каналов эффективного продвижения прогрессивных систем энергосбережения в сегменте тепловых насосов импортного производства на рынке отопительной техники в Украине.

Для реализации целей аттестационного исследования управленческой проблемы компании в работе, согласно рекомендациям программы МВА-Start, был поставлен ряд следующих задач:

- получить более глубокое представление об особенностях рынка прогрессивных систем отопления;

- охарактеризовать инструменты маркетингового продвижения данного вида товара;

- разработать план проведения конкретных мероприятий по повышению эффективности распределения товаров.

Среди концептуальных моделей, которые были использованы при проведении исследования, отметим следующие:

1) Продвижение товара находится в прямой зависимости от канала его сбыта.

2) Конкурентное преимущество - основа успешного развития бизнеса.

3) Персональные покупатели, как один из основных и эффективных участников процесса продвижения прогрессивных энергосберегающих систем.

4) Использование принципа Парето в оптимизации каналов сбыта.

При построении методологии исследования учитывалось, что так как целью нашего исследования является поиск новых путей, разработка новых гипотез, то тип исследования является изучающим. В качестве общего подхода к исследованию был использован индуктивный подход, который характеризуется построением теории в зависимости от результатов наблюдения за практической реальностью.

Стратегией исследования было изучение практической ситуации (кейс-стади), после чего на основании полученных данных сформулировано, какие из возможных моделей развития событий наиболее эффективны для достижения поставленной цели.

При проведении исследований были использованы качественно-количественные методы, позволяющие понять суть проблемы и осуществить некоторую количественную оценку ситуацию.

По этапам можно выделить следующие методы исследований:

1. На первом этапе - кабинетное исследование, работа с государственными и ведомственными статистическими данными, направленными на изучение различных примеров эффективного внедрения прогрессивных систем энергосбережения в отечественном и зарубежном рынках.

2. На втором этапе - метод статистических наблюдений для сбора сведений о коньюнктуре рынка прогрессивных энергосберегающих систем.

3. На третьем этапе - моделирование эффективной деятельности компании по успешному продвижению прогрессивных систем энергосбережения на рынке.

4. На четвертом этапе - разработка реального плана работы по эффективному продвижению товара.

Исходя из должностных полномочий, предоставленных автору руководством компании, все необходимые данные и возможности для проведения всех этапов исследования предоставлены автору в полном объеме.

Этические ограничения. В связи с достаточно ясной и прозрачной целью исследования и отсутствием каких-либо скрытых задач, этических проблем возникнуть не должно. Все участники исследования заранее проинформированы о целях и задачах исследования. Исследовательский процесс не несёт вреда всем тем, кто участвовал в исследовании и не затрагивает их чувство собственного достоинства. Общепринятые стандарты морали и этикета не нарушаются.

Раздел 1. Сущность тепловых насосов как нового товара на рынке современных отопительно-нагревательных бытовых систем

1.1 Назначение и область применения тепловых насосов в автономных системах теплообеспечения современных котеджей

Ни для кого не секрет, что подтвержденных запасов ископаемого топлива - нефти, при современном уровне отечественной добычи, осталось на 40 - 50 лет [26]. Похожая ситуация с нефтяными запасами и в других странах. Цены на топливо неуклонно растут. В Украине с ее холодными зимами и длительными отопительными периодами, две трети энергии, потребляе-мой на душу населения, расходуется на теплоснабжение (больше чем в любой другой стране).

В складывающейся ситуации только использование возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, тепла земли и т. п.) позволит решить надвигающуюся проблему энергоснабже-ния жилища. Известно очень много систем, использующих альтернативную энергию для тепло-снабжения зданий, но, как правило, это отдельные установки, являющиеся дополнением к тра-диционным системам энергоснабжения или очень сложные в реализации и просто нереальные с экономической точки зрения системы, о чем и свидетельствует отсутствие таковых. Одним из основных достоинств данной разработки является её доступность для широкого потребителя.

На рисунке 1.1. представлена схема "Автономный дом" уникальной полностью автоном-ной системы энергоснабжения дома, которая позволяет вести строительство практически в любом месте, не заботясь о дальнейшей подводке электросети и доставке топлива. Система разрабатывалась с учетом многолетних данных Гидрометцентра и гарантирует круглогодично комфортную температуру в помещении, а также бесперебойное электроснабжение бытовых приборов, включая электроплиту [30].

Основным источником электроэнергии является ветрогенератор, а источником тепла тепловой насос и солнечные коллекторы. Управление системой осуществляется высокоинтел-лектуальной АСУ и является важнейшим элементом системы.

Экономические расчеты системы энергоснабжения коттеджа показывают, что затраты на установку системы окупятся в среднем за три-четыре года и, в дальнейшем владелец недвижи-мости навсегда забудет о том, что за тепло и электроэнергию нужно платить.

Помимо экономической независимости человек обретает географическую свободу выбора места проживания, руководствуясь при этом красотой окружающего будущее жилье ландшафта, а не близостью энергетической "трубы".

Система автономного энергоснабжения от возобновляемых источников энергии "Автономный Дом" представляет собой полностью автономную систему энергоснабжения, которая позволяет вести строительство жилых и производственных помещений практически в любом месте, независимо от близости линий электропередач и наличия топлива.

Основные технические характеристики системы [30]:

- Количество производимой электроэнергии - 7500 кВт/час в месяц ( Излишки элект-роэнергии посредством теплового насоса переводятся в тепловую энергию. Для производства такого количества электроэнергии дизельным электрогенератором потребуется сжечь 30 тыс. литров топлива);

- Максимальная электрическая мощность - до 60 кВт;

- Средняя тепловая мощность - 30 кВт (что эквивалентно количеству тепла, получаемого при сжигании 3500 л дизельного топлива в отопительных котлах).

Эффективность энергоснабжения за счет возобновляемых источников энергии наиболее целесообразно сравнивать именно с энергоснабжением дизельными электрогенераторами и котлами, так как только эти традиционные источники энергии не привязаны к энергосетям и магистралям, а иначе пришлось бы учитывать стоимость их прокладки. Общее количество энергии, вырабатываемое системой автономного энергоснабжения за год в условиях Украины эквивалентно энергии получаемой при сжигании как минимум 33,5 т солярки стоимостью на сегодняшний день более 125 000 грн.. Одна установка "Автономный Дом" в состоянии обес-печить теплом и электричеством до 1000 м2 жилья, что соответствует, например, кондомини-уму на пять семей.

Область применения системы:

- Жилищное строительство (коттеджи, усадьбы и т.д.);

- Сельское хозяйство (фермерские хозяйства и т.д.);

- Небольшие предприятия и сборочные производства;

- Освоение новых территорий (удалённые районы, острова и т.д.);

- Охрана государственной границы (дальние армейские гарнизоны, погранзаставы, сеть ПВО, службы берегового наблюдения).

В Европе создание автономных систем пока находится на уровне проектирования. Един-ственный, известный на сегодняшний день проект "Concept House" принадлежит крупнейшей шведской строительной корпорации NCC (www.ncc.se). Ориентировочная стоимость одного до-ма NCC, оборудованного системой автономного энергоснабжения, составляет 75 млн. шведских крон, что, по их собственному заключению, слишком дорого.

Самое удачное место для внедрения системы "Автономный Дом", - конечно же - ос-рова, недоступные ни для линий электропередач, ни для газопровода. Завозить на них дизельное топливо или уголь дорого и крайне неудобно. Именно по этой причине, из 6500 островов Аландского архипелага между Финляндией и Швецией заселено только 65, а из 3000 греческих островов - 200. Поэтому самый короткий и абсолютно точный ответ на вопрос о перспектив-ных рынках сбыта - "все острова земного шара".

Основные узлы автономной системы энергоснабжения:

- ветрогенераторная установка - источник электроэнергии;

- солнечный коллектор - плоские радиаторы с селективным покрытием, преобразующие солнечную энергию в тепловую;

- тепловой насос - преобразователь низкопотенциальной энергии (теплота земли, водо-емов, сточных вод и т.д.);

- тепловой аккумулятор - термоизолированная емкость с водой.

Основным источником электроэнергии для обеспечения работы системы отопления, горячего и холодного водоснабжения, а также для питания бытовых электроприборов является ветрогенератор. Предлагаемые на сегодняшний день многими зарубежными и российскими производителями ветрогенераторы для нормальной работы требуют слишком большие ветроресурсы (для выхода на номинальную мощность обычно требуется скорость ветра 10 - 14 м/с). К сожалению, большая часть нашей страны не обладают такими ветроресурсами, поэтому нами разработана ветрогенераторная установка, оптимизированная под ветроресурсы нашего регги-она. Для обеспечения бесперебойности питания используется аккумуляторная батарея и инвер-ор. Управление работой всей системы энергоснабжения здания обеспечивается автоматической системой управления.

Источником тепла системы отопления является гелиосистема, включающая в себя блок солнечных коллекторов и аккумулятор тепла. Антифриз, нагреваемый в солнечном коллекторе, посредством теплообменника передает теплоту воде в аккумуляторе. Энергия запасается в лет-ний период и отбирается в холодное время года. В качестве отопительных приборов в данной системе применены так называемые <теплые полы>, которые в отличии от традиционных ра-диаторов эффективно работают даже при низких температурах теплоносителя. Система отопления включает в себя аккумулятор тепла, расширительный бак, циркуляционный насос, теплообменный аппарат, управляемый трехходовой вентиль и отопительные приборы. Теплообменный аппарат служат для догрева теплоносителя тепловым насосом перед подачей на "теплые полы".

Самым важным узлом в данной системе является тепловой насос, обеспечивающий работу системы горячего водоснабжения, утилизацию теплоты сточных вод и догрев теплоносителя основной системы отопления, а также в определенных условиях может выполнять роль основного генератора тепла.

Основным достоинством данной системы является полная автономность и практически троекратная надежность, т.е. даже при выходе из строя любого из узлов, система компенсирует потери за счет перераспределения нагрузок в других узлах.

Совместная работа основных узлов позволяет более полно использовать возможности каждого из них и практически полностью исключить влияние неблагоприятных погодных условий и пиковых режимов (день - ночь и т.п.).

Основные элементы системы отопления включают в себя:

- аккумулятор тепла;

- отопительные приборы ("теплые полы");

- управляемый трехходовой вентиль;

- теплообменный аппарат;

- циркуляционный насос;

- датчик температуры теплоносителя.

Работа системы отопления определяется условиями эксплуатации и зависит от времени года. Можно выделить два основных режима: летний и зимний.

Летний период (отопление отключено).

В данном режиме работы отключаются отопительные приборы ("теплые полы") и система входит в режим накопления тепловой энергии, который в свою очередь определяется целым рядом дополнительных параметров. В дневное время суток основным источником энергии для нагрева аккумулятора тепла служит солнечный коллектор, а при работающем ветрогенера-торе дополнительным источником становится тепловой насос. Если температура в аккумуля-торе ниже 60?С, включается насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя аккумулятора через теплообменный аппарат в котором расположена часть конденсатора теплового насоса, что и обеспечивает нагрев. При отсутствии солнца или в ночное время этот режим становится ос-новным. Все процессы в системе отопления регулируются автоматической системой управле-ния.

Отопительный сезон.

Переход системы отопления в основной режим заключается в подключении отопитель-ных приборов и циркуляции теплоносителя между аккумулятором и отопительными прибора-ми. Температура на входе отопительных приборов устанавливается в определенной зависи-мости от температуры наружного воздуха и контролируется датчиком температуры. Регули-ровку и поддержание необходимой температуры обеспечивает трехходовой регулирующий вентиль, управляемый АСУ , путем подмешивания теплоносителя из обратного коллектора на вход системы. При работающем тепловом насосе поступление теплоносителя из аккумулятора полностью прекращается, что позволяет сэкономить значительное количество энергии запасен-ной в аккумуляторе.

Тепловой насос:

- Тепловой насос является основным компонентом данной автономной системы энерго-снабжения и задействован практически во всех режимах. Его высокая эффективность позволяет наиболее рационально использовать излишки вырабатываемой ветрогенератором энергии и в сочетании с дешевой солнечной энергией обеспечивает полную автономность энергообеспече-ния здания.

Одним из основных режимов работы теплового насоса - приготовление горячей воды. Днем, при включении источником тепла становится солнечный коллектор, что существенно по-вышает эффективность процесса приготовления горячей воды.

Так как основное потребление горячей воды связано, как правило, с приемом ванны или душа, то в системе предусмотрен утилизатор тепла сточных вод ванной комнаты, который яв-ляется еще одним источником тепла при производстве горячей воды. До сброса в канализацию сточная вода попадает в утилизатор, где происходит отбор и возврат тепла, что позволяет зна-чительно снизить затраты на приготовления горячей воды.

В системе также предусмотрена принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла.

При работающем ветрогенераторе основной нагрузкой теплового насоса является сис-тема отопления:

- летом производится нагрев теплового аккумулятора при условии, что температура теп-лоносителя в нем ниже 60^oС;

- в отопительный период тепловой насос работает непосредственно на отопительные приборы, что позволяет существенно экономить запасы тепла аккумулятора.

Гелиосистема представляет собой замкнутый контур, в который помимо солнечного коллектора входит теплообменник, размещенный в тепловом аккумуляторе, циркуляционный насос и расширительный бак.

Основным источником электроэнергии является ветрогенераторная установка соответ-ствующей мощности, подключенная к сетевому регулятору, который обеспечивает всю систему необходимой энергией и осуществляет постоянный контроль состояния аккумуляторных бата-рей. Регулятор контролирует степень разряда аккумуляторных батарей и в случае необходимос-ти направляет часть энергии на подзарядку батареи. В случае, когда вырабатываемой энергии недостаточно (например, недостаточная сила ветра), регулятор направляет в систему недоста-ющую энергию от аккумуляторной батареи через инвертор, который преобразует постоянное напряжение батареи в переменное с промышленной частотой и тем самым обеспечивает посто-янство потребляемой мощности.

Управление системой энергоснабжения здания полностью автоматизировано. Автомати-ческая система управления выполнена на базе компьютера с соответствующими интерфейсами и программным обеспечением и питается от отдельной аккумуляторной батареи, что сущест-венно повышает ее надежность. На вход АСУ в реальном масштабе времени поступают сигналы всех датчиков системы; полученная информация обрабатывается специальным программ-мным обеспечением, что и определяет дальнейшее поведения всех элементов системы.

Принцип работы теплового насоса вытекает из работ и описания цикла Карно, опухликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Виль-ям Томсон (лорд Кельвин) в 1852 г. под названием "умножитель тепла". Она показывала, как холодильную машину эффективно использовать для отопления. Подобная машина была построена в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при ис-пользовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление [22].

Дальнейшее развитие теплонасосные установки получили только в 20-30-х годах двадца-того века, когда в Англии была создана первая установка для отопления и горячего водоснабже-ния с использованием тепла окружающего воздуха. Затем несколько демонстрационных устано-вок создали в США. Первую крупную теплонасосную установку в Европе ввели в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. Летом установка работала на охлаждение. С 1939 по 1945 гг. было создано ещё 9 подобных установок, чтобы сократить потребление угля, некоторые из них успешно проработа-ли более 30 лет [22].

Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания про-цесса, и этот цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффектив-ности ТН. Теплонасос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.

Тепловой насос -- это термотрансформатор, преобразующий низкопотенциальную энер-гию окружающей среды, непригодную для использования в отопительных системах, в высоко-потенциальную, которая служит для отопления помещений и нагрева воды в системе ГВС. Ана-лог теплового насоса -- холодильник -- сегодня есть в каждом доме. В холодильной камере холодильник забирает тепло от продуктов питания, охлаждая их, и выбрасывает это тепло в окружающую среду через радиаторную решетку на задней стенке. А тепловой насос забирает тепло у окружающей среды и передает его в систему отопления. Британский физик Уильям Томсон,изобретатель теплового насоса, назвал его "умножителем тепла [25].

Рис.1.2. Принцип действия теплового насоса [25]

Схематично тепловой насос можно представить в виде рабочего контура, состоящего из четырех основных элементов, - испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. К рабочему контуру примыкает первичный (внешний) контур, в котором циркулирует рабочее вещество (вода, антифриз или воздух), собирающее тепло окружающей среды, и вторичный - вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания (рис.1.2).

Испаритель - пластинчатый теплообменник, где с одной стороны циркулирует холодный жидкий хладагент (вещество с низкой температурой кипения, обычно фреон), а с другой сторо-ны на противотоке циркулирует рабочее вещество первичного контура.

Первичный контур - это контур с низкопотенциальной тепловой энергией (энергия, температуры которой недостаточно для непосредственного нагрева отопительного контура). В качестве источника энергии первичного контура может быть использовано тепло грунта (грунтовые зонды с антифризом), грунтовых вод (две скважины: подающая и поглощающая), наружного воздуха и т.п.

В испарителе хладагент забирает тепло первичного контура, закипает и испаряется. Соответственно понижается температура выхода первичного контура.

Компрессор всасывает газообразный хладагент, сжимает его, резко повышая таким образом его температуру. Горячий газообразный хладагент выталкивается в конденсатор.

Конденсатор - по устройству такой же теплообменник, как и испаритель, где со стороны рабочего контура циркулирует горячий хладагент, а со стороны вторичного контура - вода или антифриз.

Горячий хладагент, вступая в тепловой контакт с теплоносителем системы отопления или водой из системы горячего водоснабжения (ГВС), конденсируется, передавая свое тепло системе отопления или ГВС. При этом жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда за счет перепада давлений продавливается через сбросной клапан в испаритель. Температура его при этом резко понижается. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности, в США, где требуется круглогодичное кондицио-нирование: охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, реша-ющий обе задачи, выпускается уже более 30 лет, он экономичен и надежен.

По данным на 1997 год из 90 миллионов тепловых насосов, установленных в мире, 4,28 миллиона аппаратов смонтировано в Европе. Немного, по сравнению с 57 миллионами систем, имеющимися в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда [26].

В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.

Использованию ТН в мире уделяется серьезное внимание как весьма перспективному энергосберегающему направлению. Однако решение вопросов эффективности, выбора типа ТН, масштабов и областей их оптимального использования в разных странах различается и является далеко не однозначным.

Например, в Европе 77% установленных тепловых насосов используют наружный воз-дух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта.

В Норвегии на конец 1999 года насчитывалось в эксплуатации 27 200 теплонасосных установок. Из вновь установленных в стране в 1999 году теплонасосных установок 67% исполь-зовали в качестве источника тепла окружающий воздух, 12% - отработавший воздух, 19% - во-ду и грунт [26].

По прогнозам мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 году в развитых странах 75% систем отопления и горячего водоснабжения будет использовать тепловые насосы. Следует отметить, что ни в одной стране фирмы-изготовители тепловых насосов не входят в рынок без специальной государственной поддержки, которая имеет разные формы льгот (нало-говые, кредитные и т.д.), которые постепенно уменьшаются по мере развития отрасли. Успехи в развитии техники теплонасосного отопления за рубежом обнадеживают отечественных энтузи-астов этого направления и сулят благоприятные перспективы [18].

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических, газовых или дизельных котлов, заключается в том, что при производстве тепла 75% энергии берется из окружающей среды, а остальные 25% - это электрическая энергия, не-обходимая для работы компрессора теплового насоса. Тепловой насос "выкачивает" солнечную энергию, накопленную за теплое время года в окружающей среде. То есть для производства 4 кВт тепловой энергии Вам необходимо затратить всего лишь 1 кВт энергии электрической -налицосущественная экономия на оплате электроэнергии.

Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической энергии называется коэффициентом трансформации (или КПД теплового насоса), и служит показателем эффективности его работы. Современные тепловые насосы компании Viessmann имеют высо-кий коэффициент трансформации - от 2 до 7 в зависимости от используемого источника тепло-вой энергии и применяемой системы отопления. Чем меньше разница температур между при-родным источником тепловой энергии и подачей отопительного контура, тем коэффициент трансформации больше. Это фактически означает, что 60-75% потребностей здания в тепло-снабжении тепловой насос обеспечивает бесплатно, и тепло обойдется Вам в среднем в 4,5 раза дешевле, чем при использовании электрических обогревателей.

За последние годы количество новых инсталлированных тепловых насосов (ТН) с элек-трическим приводом возрастало весьма и весьма динамично. С одной стороны, это обусловлено тем, что ТН (тепловой насос) особенно хорошо выполняет требования законодательства по энергосберегающей технике, и, с другой стороны, тем, что с точки зрения комфорта и эксплуа-тационных расходов ТН (теплового насоса)обладает существенными преимуществами в сравне-нии с обычными системами отопления.

Рис.1.3. Структура бытового теплопотребления населения [18]

В суммарном энергопотреблении для жилых домов доля тепловой энергии играет решающую роль: 86 % потребности в энергии частных домашних хозяйств приходится на отопление и приготовление горячей расходной воды и покрывается большей частью за счёт газа и нефти. Так как наличие этих ископаемых энергоносителей ограничено во времени, то требуются альтернативные источники энергии. В этой связи регенеративные, или возобновляемые энергии - в частности ТН (тепловой насос) - сыграют в будущем важнейшую роль. И особенно потому, что в наших широтах для них совпадают предложение и спрос, что лишь с большими оговорками можно сказать об использовании солнечной энергии.

Назначение теплового насоса - точно так же, как вода не течёт вверх, тепло всегда пере-текает только от горячего (источник тепла) к холодному (приёмник тепла). Таким образом, что-бы использовать для отопления и ГВС низкопотенциальное тепло из окружающей среды, т.е. из грунта, воздуха или из грунтовых вод, необходимо это тепло "перекачать" на более высокий уровень. Контур хладагента позволяет "качать" тепло на более высокий температурный уро-вень. Сердцем ТН (теплового насоса) является циркуляционный контур хладагента, работаю-щий с помощью компрессора. По принципу конструкции он идентичен контуру хладагента холодильников, испытанных временем и практикой использования, и поэтому также сопос-тавим с ними по показателю высокой надёжности. Лишь выполняемая задача у него полностью противоположна, а именно: внутри холодильника тепло отбирается у охлаждаемых продуктов и отдаётся с тыльной стороны аппарата в помещение, а ТН (тепловой насос) отбирает тепло из окружающей среды (воды, земли, воздуха) и передаёт его в отопительную систему.

Принцип функционирования теплового насоса приведен на рис.1.4

Рис.1.3. Принципиальная тепловая схема работы теплового насоса [29]

В закрытом контуре происходит поочерёдное испарение, сжатие, конденсация (сжижение) и расширение рабочего вещества - хладагента, закипающего уже при невысокой температуре.

1.Испаритель - в испарителе находится жидкий хладагент низкого давления. Его темпе-ратура ниже, чем температура источника тепла. Поэтому тепло от источника тепла передаётся хладагенту, что приводит к испарению хладагента.

2.Компрессор - газообразный хладагент сжимается в компрессоре до высокого давления и при этом настолько сильно нагревается, что температура хладагента после компрессии ста-новится выше температуры, необходимой для отопления и ГВС. Кроме того, энергия привода компрессора тоже преобразуется в тепло и "перетекает" к хладагенту.

3.Конденсатор - очень горячий хладагент высокого давления отдаёт в конденсаторе всё своё тепло, то есть тепло, полученное от источника тепла, а также тепло энергии привода компрессора в систему отопления (перепад тепловых потенциалов). При этом хладагент сильно охлаждается и снова становится жидким.

4.Расширительный клапан - затем хладагент проходит через расширительный клапан и снова возвращается в испаритель. В расширительном клапане происходит декомпрессия до первоначального давления. Цикл завершился.

Режимы эксплуатации тепловых насосов - ТН(тепловой насос) для отопления помещений - в зависимости от типовых условий - могут эксплуатироваться самыми разнообразными способами. Выбор того или иного режима работы должен ориентироваться, прежде всего, на уже имеющиеся в здании или планируемые системы отдачи тепла и на выбранный источник тепла:

1). Моновалентный режим

О моновалентном режиме эксплуатации речь идёт тогда, когда ТН(тепловой насос) покрывает всю потребность в тепле для отопления и ГВС. Оптимальными для этого являются такие источники тепла, как грунт и грунтовые воды, так как эти источники тепла почти незави-симы от наружной температуры и поставляют вполне достаточно тепла даже при низких тем-пературах.

2). Бивалентный режим

В бивалентном режиме, наряду с ТН(тепловым насосом) всегда применяется второй теплогенератор, чаще всего - уже имеющийся жидкотопливный котёл. В прошлом для одно- и двухсемейных домов этот вид эксплуатации имел огромное значение, прежде всего - в сочета-нии с воздушно-водяным ТН(тепловым насосом). При этом основное теплоснабжение выпол-нялось ТН(тепловым насосом), а, начиная с наружной температуры, например, ниже 0°C, к работе подключался жидкотопливный котёл. Из экономических соображений - поскольку всегда требуется два теплогенератора - такие системы сейчас не получают широкого распространения и реализуются лишь в отдельных редких случаях.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: "воздух--воздух", "воздух--вода", "вода --воздух", "вода--вода", "ЗЕМЛЯ--воздух", "ЗЕМЛЯ--вода". Найбольшее распространение в наших широтах получило два вида тепловых насосов,а именно: "воздух--вода","земля--вода".

а) Тепловые насосы воздух-вода

Тепловые насосы "воздух-вода" используются в 2 -х схемах(рис.1.7):

1. Забор воздуха в подвале дома.

2. Забор воздуха через внешние выносные сплит-модули.

Источник тепла: воздух. Тип теплового насоса: воздух/вода

Воздух - наименее затратный источник тепла в плане освоения - имеется в неограниченном количестве, его "разработка" не требует проведения дополнительных работ. Современные тепловые насосы воздух/вода можно эксплуатировать почти круглый год (до -15єС). При более низкой температуре окружающего воздуха установка не покрывает теплопотребность здания, и ее необходимо использовать в сочетании с другим источником тепла или электро-нагревательной вставкой в бойлере. В случае использования теплового насоса воздух/вода расчет параметров источника тепла задается конструкцией или размером установки. Требуемое количество воздуха подается вентилятором, встроенным в установку, на испаритель через воздушные каналы.

Рис.1.7. Варианты установки теплового насоса "воздух- вода" [32]

Воздушно-водяные тепловые насосы могут с технической точки зрения точно так же, как геотермические тепловые насосы, эксплуатироваться круглогодично. Для этого в моновалентном режиме при проектных условиях, например, при -15 ?C наружной температуры тепловой насос должен обеспечивать максимальную "греющую" мощность. Так как "греющая" мощность сильно уменьшается с падением температуры источника тепла, то это довольно часто обусловливает необходимость применения больших агрегатов и высоких инвестиционных затрат. Поэтому для работы воздушно-водяных тепловых наосов, как правило, начиная с некоторой определённой температуры наружного воздуха, подключают параллельно работающий дополнительный термоэлектрический нагреватель. В холодные дни он покрывает пиковую нагрузку. Однако из-за большой разницы температур в холодные дни и из-за низких коэффициентов мощности воздушно-водяного тепловой насос, обусловленных этой разницей температур, получаются существенно меньшие значения годовых коэффициентов эффективности в сопоставлении с геотермическими тепловыми насосами. Поэтому воздушно-водяные тепловые нас-сы пригодны особенно для регионов с относительно высокими наружными температурами в середине года или в уже построенных одно- и двухсемейных домах, для которых потребовались бы существенные затраты на инженерно-техническое освоение грунтового источника тепла.

Использование тепла из отработавшего воздуха помещений для эксплуатации теплового насоса возможно с помощью специального приточно-вытяжного оборудования для отработавшего воздуха. При этом главный агрегат такого оборудования следует инсталлировать по возможности на чердачном этаже здания и вытягивать воздух встроенным вентилятором из кухни, ванной комнаты и туалета. За счёт вытяжки создаётся разрежение в квартире, и наружный воздух может свободно поступать внутрь помещений сквозь специальные отверстия в наружной стене. В главном агрегате, т.е. в коллекторе для отработавшего воздуха помещений находится теплообменник, который отбирает тепловую энергию из отработавшего воздуха, прежде чем отвести его за пределы здания. Это тепло подводится через теплообменник в систему ТНУ и обусловливает непосредственное повышение коэффициента мощности теплового насоса во время эксплуатации, так как теплоноситель предварительно подогревается коллектором. При остановке теплового насоса энергия накапливается в источнике тепла и обеспечивает его регенерацию.

В таком режиме коллектор использует избыточное тепло из отработавшего воздуха помещений для поддержания контура теплового насоса.

Применение коллектора отработавшего воздуха помещений предполагает точное планирование вентиляционной установки и особую герметичность ограждающих конструкций здания. После монтажа агрегата необходимо провести тестирование дома на герметичность.

б) Тепловые насосы земля-вода

Тепло из грунта можно получать по-разному. Специалисты подразделяют здесь источники тепла, использующие тепловую энергию приповерхностных слоёв грунта, и источники, использующие глубинное геотермическое тепло.

Приповерхностное тепло - это солнечное тепло, накапливаемое грунтом сезонно и используемое с помощью так называемых геотермических грунтовых коллекторов, которые укладываются горизонтально на глубине от 1,20 м до 1,50 м.

Геотермическое тепло стремится из глубины земных слоёв к поверхности и используется с помощью геотермических зондов. Зонды инсталлируются вертикально на глубину до 150 м.

Обе системы характеризуются высокой и относительно стабильной температурой в течение всего года. Это обусловливает высокие к.п.д. во время эксплуатации теплового насоса (высокий годовой коэффициент эффективности). Кроме того, эти системы работают в закрытых контурах, что обеспечивает высокую надёжность и минимальные затраты на обслуживание. В таком закрытом контуре циркулирует смесь воды и антифриза (этиленгликоля). Эту смесь называют также "рассолом".

Существуют два вида тепловых насосов "земля-вода":

1. Грунтовые коллекторы (рис.1.5б)

2. Грунтовые зонды(рис.1.5а)

Рис.1.5. Схема теплового насоса "земля - вода" с грунтовым вертикальным зондом (а) и грунтовым вертикальным коллектором(б) [32]

Действие земляного зонда

Рис.1.6. Действие земляного зонда [32]

Действие земляного коллектора

Рис.1.7. Действие земляного коллектора [32]

Источник тепла: грунт. Тип теплового насоса: рассол/вода.

Грунт хорошо аккумулирует солнечную энергию. Она воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года. Также на глубинах больше 20 метров происходит поступление тепла от центра земли и каждые 100 метров температура грунта увеличивается на 3єС, что обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким КПД. Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью из воды и антифриза (рассолом), через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники (грунтовые коллекторы) или через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды).

1. Преимущества тепловых насосов "земля-вода" с грунтовыми коллекторами:

- экономически выгодные затраты;

- высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки тепловых насосов "земля-вода" с грунтовыми коллекторами:

- важная роль точности укладывания, проблемы с образованием воздушных "мешков" в случае неквалифицированного укладывания;

- потребность в большой технологической площади;

- невозможность перестройки.

Отбор тепла из грунта производится с помощью пластиковых труб большой площади, уложенных параллельно поверхности земли, как правило, в виде нескольких контуров. При этом один контур по своей длине не должен превышать 100 м, так как иначе потребуется слишком высокая мощность качающего насоса. Отдельные контуры подключаются к распределителю, который должен находиться в самой высокой точке, чтобы обеспечить возможность развоздушивания системы трубопроводов. Временное оледенение грунта не имеет никаких негативных последствий на функционирование ТНУ и на растительное покрытие технологической площади. По возможности необходимо следить за тем, чтобы на площади, занимаемой грунтовым коллектором, не располагались растения с глубокой корневой системой. Важно также, чтобы трубы укладывались в песчаной постели для предотвращения вероятных повреждений острыми камнями. Прежде чем выполнять засыпку коллектора, обязательно рекомендуется опрессовать систему трубопроводов. Лучше всего держать трубопровод под испытательным давлением также и во время засыпки. Тогда очень легко сразу заметить вероятные повреждения. Выполнение требуемых перемещений грунта возможно без больших дополнительных затрат в особенности на новостройках. Величина отбора тепловой мощности из грунта зависит от многих факторов, прежде всего - от влажности грунта. Особенно хороший практический опыт получен при работе с влажными суглинками. Менее пригодными являются песчаные грунты.

2. Преимущества теплового насоса "земля - вода" с грунтовым зондом:

- надёжность;

- незначительная потребность в занимаемой технологической площади;

- высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки теплового насоса "земля - вода" с грунтовым зондом:

- как правило, высокие инвестиционные затраты;

- инсталляция возможна не во всех регионах.

Грунтовые зонды получили за последние годы очень широкое распространение благодаря простоте обустройства и незначительной потребности в технологической площади. Такие зонды состоят, как правило, из пучка четырёх параллельных пластиковых труб, концы которых свариваются специальными фасонными деталями и образуют так называемую ножку зонда. При этом каждые две пластиковые трубы соединяются так, что создают два независимых один от другого контура. Их называют также двойными U-образными зондами. При наличии хороших гидрогеологических условий можно реализовать высокую мощность отбора тепла. Предпосылкой для планирования и обустройства грунтовых зондов служит точная информация о характерных свойствах грунта и информация о внутригрунтовых процессах. В настоящее время уже есть целая сеть фирм, которые специализируются в области обустройства грунтовых зондов и, наряду с проектированием и инсталляцией зондов, предлагают также разрешительную документацию. Можно также обратиться за профессиональной консультацией к специалистам-геологам или в местный геологический департамент.

Тепловые насосы "вода-вода" используются в 2 -х схемах:

1. Грунтовые воды;

2. Открытые водоемы.

Рис.1.8. Схема теплового насоса "вода - вода" с использованием грунтовых вод [31]

Источник тепла: грунтовые воды. Тип теплового насоса: вода/вода

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечного тепла: даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную положительную температуру. Для использования тепла необходимо пробурить подающую и поглощающую скважины, строго учитывая при этом направление те-чения подземных вод и их качество. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла.К со-жалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. К то-му же на использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы госводонадзора).

Преимущества теплового насоса "вода - вода" с использованием грунтовых вод:

- экономически привлекательный источник тепла;

- незначительная потребность в технологической площади.

Недостатки теплового насоса "вода - вода" с использованием грунтовых вод:

- открытая система;

- затраты на обслуживание;

- требуется анализ грунтовых вод;

- обязательное наличие разрешительной документации.

Использование грунтовых вод путём их отбора через колодезную установку и последующего возврата в водоносные слои грунта является особенно выгодным с энергетической точки зрения. Практически константная температура воды в течение всего года позволяет достичь высоких значений коэффициента мощности ТН(теплового насоса). Особое внимание при этом необходимо уделять потребности во вспомогательной энергии, особенно электроэнергопотреблению качающего насоса. В небольших ТНУ или при значительных глубинах укладки зондов предполагаемые энергетические преимущества очень часто "съедаются" дополнительными затратами энергии качающих насосов и нередко приводят к существенному влиянию на годовой коэффициент эффективности.

Кроме того, при разработке источника тепла "Грунтовые воды" следует помнить, что речь здесь идёт об открытой системе, которая зависит от качества воды, расхода воды и т.д. Поэтому решение о применении того или иного ТН (теплового насоса) для работы с грунтовыми водами необходимо особенно тщательно обдумывать и взвешивать.Прежде всего, следует проверить, есть ли в выбранной Вами местности достаточное количество грунтовых вод на глубине макс. 20 м. Об этом можно узнать у местной администрации по управлению водными ресурсами, у городского предприятия водоснабжения или у местных бурильно-монтажных фирм по обустройству артезианских колодцев.Затем необходимо получить разрешение местной администрации по управлению водными ресурсами на отбор и возврат грунтовых вод для целей отопления. Планирование и исполнение работ по обустройству колодезной, т.е. скважинной установки должно выполняться квалифицированным бурильно-монтажным предприятием, так как непрофессиональное исполнение может привести в течение нескольких лет к существенным отложениям железо-магниевых окислов именно в поглощающем, т.е. насыщающем колодце. Для устранения такого повреждения потребуются очень значительные затраты. К тому же во время проведения ремонтно-восстановительных работ эксплуатация ТНУ невозможна,так что при наличии моновалентной ТНУ нельзя обеспечить отопление здания.