Энергетическая эффективность теплоснабжения индивидуальных домов с гибридной системой тепловой генерации

Введение. В Российской Федерации в эксплуатации находятся 1,5 млн твердотопливных котлов индивидуальных систем теплоснабжения. С учетом плотности населения, экономических факторов использование твердого топлива для индивидуальных домов в ряде регионов будет продолжаться длительное время. Недостатки эксплуатации твердо-топливных котлов, связанные с необходимостью ручной загрузки топлива, большого места для хранения топлива, избыточной мощностью и другими проблемами, могут быть частично или полностью решены с помощью гибридных систем теплоснабжения с твердотопливным и электрическим генераторами тепловой энергии. Цель исследования — определение энергетической эффективности, описание алгоритма работы гибридной системы и автоматического переключения тепловых генераторов, оценка эмиссии парниковых газов, экономический анализ затрат на эксплуатацию.

Материалы и методы. Исследования коэффициентов энергетической эффективности проводились на испытательном стенде завода «АРДЕРИЯ» с электрическим тепловым генератором Ардерия ЕС 12. Натурные испытания тепловых потерь дровяных котлов в режиме ожидания выполнялись в Московской области на реальном объекте, оснащенном дровяным пиролизным котлом Rojek KTP20 с номинальной мощностью 20 кВт·ч.

Результаты. Показатели энергетической эффективности твердотопливных тепловых генераторов, рассчитанные для реальных значений тепловой нагрузки в отопительный период, и реального топлива значительно отличаются от лабораторных, декларируемых производителями котлов, и для схем теплоснабжения без тепловых аккумуляторов составляют 50–65 %. Статические потери твердотопливных котлов в режиме ожидания без горения топлива доходят до 1,5 кВт·ч.

Выводы. Применение гибридных схем теплоснабжения индивидуальных домов с системой переключения потоков теплоносителя решает негативные вопросы генерации тепла, характерные для твердотопливных котлов. Экономические затраты при использовании твердого топлива и электричества соизмеримы. Величина углеродоемкости тепловой энергии при применении электрических тепловых генераторов значительно ниже твердотопливных.

1. Слободчиков Е.Г. Из опыта эксплуатации твердотопливных котлов в условиях центральной Якутии // Современное строительство и архитектура. 2021. № 4 (24). С. 21–24. DOI: 10.18454/mca.2021.24.3. EDN DNVAQZ.

2. Иванов В.Н. Энергоэффективность теплогенераторов малой мощности в условиях Крайнего Севера : учебное пособие. Якутск : Издательский дом СВФУ, 2019. 81 с.

3. Хаванов П.А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения : монография. М. : МГСУ, 2014. 208 с. EDN UGOSAL.

4. Богомолов А.Р., Анферов Б.А., Темникова Е.Ю., Лапин А.А. Анализ эффективности работы котельного агрегата «CARBOROBOT–40» // Ползуновский вестник. 2015. № 4–1. С. 61–67. EDN VMDKSF.

5. Pełka G., Luboń W., Pachytel P. Analysis of the efficiency of a solid fuel boiler depending on the choice of combusted fuel // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 154. P. 02003. DOI: 10.1051/e3sconf/202015402003. EDN RDEORN.

6. Петринчик В.А., Царев А.С. Проблемы использования топливных брикетов в коммунальной теплоэнергетике малых населенных пунктов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2014. № 3 (339). С. 139–144. EDN QIYXLB.

7. Жадина Н.В. Сравнительный анализ эколого-экономической эффективности альтернативных видов топлива на основе древесного сырья // Вестник Забайкальского государственного университета. 2016. Т. 22. № 8. С. 88–95. DOI: 10.21209/2227-9245-2016-22-8-88-95. EDN WMFFIH.

8. Судакова И.Г., Руденко Н.Б. Получение твердых биотоплив из растительных отходов : обзор // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2015. Т. 8. № 4. С. 499–513. DOI: 10.17516/1998-2836-2015-8-4-499-513. EDN VOABJT.

9. Николаева Л.А., Попов С.Н., Буренина О.Н., Соловьев Т.М. Утилизация отходов деревоперерабатывающих предприятий Республики Саха (Якутия) в топливные брикеты // Интернет-журнал Науковедение. 2017. Т. 9. № 6. С. 56. EDN YSAHSQ.

10. Дремичева Е.С., Эминов А.А. Эколого-экономические аспекты использования торфа в энергетике // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 1 (53). C. 96–108. EDN ZSBYLN.

11. Торопов А.Л., Саргсян С.В. Энергетическая эффективность электрических котлов автономных индивидуальных систем теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2025. Т. 20. № 7. С. 1104–1112. DOI: 10.22227/1997-0935.2025.7.1104-1112. EDN MONQBI.

12. Торопов А.Л. Классификация электрических котлов резистивного нагрева автономных водяных систем теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 10. С. 1608–1616. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.10.1608-1616. EDN KJKTJJ.

13. Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.6.927-934. EDN FIOIOF.

14. Pełka G., Wygoda M., Luboń W., Pachytel P., Jachimowski A., Paprocki M. et al. Analysis of the Efficiency of a Batch Boiler and Emissions of Harmful Substances during Combustion of Various Types of Wood // Energies. 2021. Vol. 14. Issue 20. P. 6783. DOI: 10.3390/en14206783. EDN CWVPPI.

15. Корнилова Н.В., Трубаев П.А. Теплотехнические испытания твердотопливных отопительных котлов малой мощности при сжигании брикетированных RDF-топлив // Энергетические системы. 2018. № 1. С. 224–233. EDN PNNKZH.

16. Максимук Ю.В., Пономарев Д.А., Курсевич В.Н., Фесько В.В. Теплота сгорания древесного топлива // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2017. № 4 (358). С. 116–129. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116. EDN YZBFNV.

17. Пиир А.Э., Мелехов В.И., Кунтыш В.Б. Выбор древесного топлива для малой энергетики // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2014. № 1 (337). С. 101–108. EDN RWNTGR.

18. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М. : Лесная промышленность, 1989. 293 с.

19. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С. Котельные установки : учебник для вузов. 2-е изд. М. : Стройиздат, 1972. 384 с.

20. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А. Теплогенерирующие установки : учебник для вузов. 2-е изд. М. : ООО «ИД Бастет», 2010. 624 с.

21. Климов Г.М. Децентрализованные системы водяного отопления индивидуальных жилых зданий : учебно-методическое пособие. Нижний Новгород : Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, ЭБС АСВ, 2016. 52 с.

22. Мазурова О.К., Кузнецов Н.В., Бутенко А.Н. Автономное теплоснабжение : учебное пособие. Ростов-на-Дону : РГСУ, 2011. 143 с.

23. Зайцев О.Н., Степанцова Н.А., Циплина А., Эмирова Э., Кунский М. Теплообмен в газоходах жаротрубных водогрейных котлов при работе на твердом топливе // Строительство и техногенная безопасность. 2017. № 7 (59). С. 135–140. EDN ZWBTMF.

24. Барышева О.Б., Хабибуллин Ю.Х., Хасанова Г.Р. Эффективность применения разработанного твердотопливного котла длительного горения // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 1 (35). С. 123–127. EDN VUSKIH.

25. Андреев С.А., Загинайлов В.И., Воробьев В.А. Электротехнологический способ управления горением в пиролизных котлах // Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина». 2019. № 2 (90). С. 53–58. EDN ZDPQXJ.

26. Малявина Е.Г. Теплопотери здания. М. : АВОК-Пресс, 2007. 141 c.

27. Шведов Г.В., Сипачева О.В., Савченко О.В. Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение. М. : Издательский дом «МЭИ», 2013. 424 с. EDN SUOPLV.

28. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гатина Р.З., Гафуров Н.М. Возможные пути снижения выбросов углекислого газа // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 9–10. С. 21–31. EDN YPSXTE.

29. Butcher T.A., Trojanowski R. Effect of Thermal Storage on the Emissions and Efficiency Performance of a Wood-Pellet-Fired Residential Boiler // ACS Omega. 2020. Vol. 5. Issue 44. Pp. 28517–28528. DOI: 10.1021/acsomega.0c03080. EDN VGSEHQ.