Топлофикации от ново поколение за екологично чисто отопление

Сградите с ултра-ниско потребление на енергия са решаващ фактор за прехода към нисковъглеродна икономика. Нулевоенергийните (с нулево нетно потребление на енергия - ZEB) и почти нулевоенергийните (nZEB) сгради са критичен фактор в Европейската стратегия за постигане на икономика без въглеродни емисии. Така е, защото сградите са отговорни за 40% от парниковите емисии - като се започне от производството на цимент и процеса на изграждане и се стигне до края на експлоатацията и събарянето.

Текст: списание Инфрабилд

Концепцията за нулевоенергийната сграда предполага енергията, която тя използва, да се добива на място, в самата постройка, или в непосредствена близост до нея. По отношение на електроенергията това е постижимо със съвременни технологии. За целта могат да се приложат сградно-интегрирани фотоволтаични панели, PV масив на покрива, соларен навес на паркинга, вятърна турбина в периферията на квартала и др. Вече са факт няколко селища в Европа, които са напълно самодостатъчни от гледна точка на електроенергията. Отоплението обаче остава по-голямо предизвикателство. Засега предпочитаното решение за отопление са локалните и регионалните газови когенератори. В редки случаи се използват и тригенератори.

Така се  произвежда електрическа и топлинна енергия едновременно, а при тригенерацията - и охлаждане. Използването на изкопаемо гориво обаче не се вписва в представата за нисковъглеродна икономика и нулевоенергийни сгради. Няколко съвременни технологии за топлофициране обаче предлагат действително чисти алтернативни: топлофикационни мрежи, захранвани от слънце, лед или земна топлина. И в трите случая важно е, че прилагането на технологията в мащаб (квартал/село) е значително по-ефективно от което и да е приложение на индивидуално ниво (котел на къща/кооперация).

 Слънчеви топлофикации

Слънчевите топлофикационни системи добиват енергия от слънцето, за да се отопляват сградите. За целта се инсталират системи от модули за слънчево подгряване на вода - индустриални слънчеви колектори. Те се свързват в голяма верига и затоплят огромен обем вода - хиляди литри. Водният обем се циркулира в топлофикационната мрежа на квартала. Тъй като слънчевата топлина се събира основно през лятото, а е необходима предимно през зимата, ключова роля има т. нар. топлинен буфер: горещата вода се съхранява в огромен воден резервоар, подобен на микро-язовир.

Водата в него може да достигне температура над 80 градуса. Затова резервоарът бива обвит с дебела изолация, която предотвратява топлинните загуби. Повърхността на това „езеро“, която най-много би губила топлина, се покрива с най-дебел слой изолация. Той е толкова плътен и здрав, че позволява върху резервоара да се ходи, да се положи тревна настилка. Честа практика е върху топлинните буфери да се изграждат спортни игрища, детски площадки. През отоплителния сезон горещата вода от топлинния буфер циркулира в отоплителните инсталации на жилищните сгради (например подово отопление) и може да подгрява битова топла вода.

Ледени топлофикации

Ледените топлофикационни системи са по своята същност слънчеви топлофикации, но с леден сезонен буфер. Водата се подгрява от слънчеви колектори. Съществената разлика е, че водата в буфера не се затопля до температури от порядъка на 80 градуса, а се поддържа с относително хладна - около 15-16 градуса. Топлината от нея се извлича посредством индустриален клас термопомпи. Така водата постепенно отдава своята енергия за обитаемите сградни пространства и замръзва.

Когато водата достигне температура 0 градуса, тя кристализира - превръща се в лед. В процеса на кристализацията се отделя ударна доза топлинна енергия. В идеалния случай, при добро проектиране, достигането на етапа на кристализацията може да съвпадне с най-студената част от зимния сезон. В края на отоплителния период водният буфер може да е изцяло замръзнал, но по това време слънчевите колектори започват да подават повече топлина и да подгряват водния резервоар.

Геотермални топлофикации

Енергията на слънцето е колосална, но огромна е и енергията на Земята. Геотермалните топлофикации използват топлината на земните недра, за да се топлят сградите на повърхността. Тук се разграничават два вида топлофикационни системи. Първият вид използва абсорбционни термопомпи. В идеалния случай тези съоръжения се захранват от възобновяеми източници на електричество (соларни системи, ветрогенератори). Вторият вид използва директно топлина от земята - най-често от горещи извори. Този подход е приложим в локации с температура на земните/водните ресурси между 40 и 150 градуса Целзий.

При „студените“ геотермални системи обичайно се правят няколко сондажа в земята.
Техният брой зависи от мащаба на отопляваните съоръжения и може да достигне стотици. Над земята малки стойки с височина около метър дискретно издават локациите на сондажите - като цяло пространството на повърхността изглежда съвсем обичайно и може да се използва за почти всякакви цели. Малките геотермални системи варират от 0,5 до 2 Mwth, а големите могат да достигат 50 MWth.

Основната употреба на геотермалната топлина е за отопление на пространствата и за подгряване на битова гореща вода в жилищни или комерсиални сгради. Понякога излишната топлина от тези приложения може да бъде препратена към нагреватели за тротоари (серпентини под тротоарни настилки или асфалт), за да се разтопяват снегът и ледът през зимата. България се счита за една от страните с особено благоприятни условия за геотермални топлофикационни съоръжения.
 

Екология, предвидимост

Слънчевите, ледените и геотермалните топлофикации са нисковъглеродни и екологични източници на енергия, тъй като използването на слънчевата и земната енергия за затоплянето на сгради не води до отделяне на фини прахови частици, въглероден дикосид или каквито и да е други вредни газове. Това означава по-чист въздух за жителите, разчитащи на това ново поколение топлофикационни системи.

Когато слънчевата/земната енергия не е достатъчна за отопление, тя може да се комбинира с „резервна мощност“ - например генератори, работещи с биомаса. Подобна формула е в състояние да гарантира на потребителите пълна независимост по отношение на топлинната енергия. Кварталите, селата и градовете, които избират подобен подход за отопление, не са зависими от цените на горивата. На практика те са енергийно независими.

А, само слънце стига ли?

Докато геотермалната топлина е постоянна и съответно топлофикационните системи на тази база могат да работят равномерно и предвидимо, слънцето е доста непостоянен източник на енергия. В някои дни то грее силно, но в други дни е облачно и топлинните добиви са по-слаби. Практиката показва, че когато слънчевата топлоенергия за слънчева топлофикация не е достатъчна, системата може да се допълва от други генерации. Това могат да са отоплителни котли или когенератори, особено такива, работещи с биомаса.

По-честата практика в момента е резервните мощности да разчитат на газ. Все пак в обозримо бъдеще системите на база изкопаеми горива ще стават все по-малко привлекателни заради все по-строгите регулации относно парниковите емисии. По-приемлив сценарий е те да се захранват от близко разположени местни източници (например селскостопански отпадъци, слама, костилки от ферми и ниви около града).

Приложения на слънчеви топлофикации

Една от най-старите слънчеви топлофикации е станала вече легендарна: инсталацията в Марстал, Дания. Инициативата за нея възниква през 1993 година. По това време общината търси решение за по-екологично гориво за отопление чрез местната топлофикация. Група специалисти предлага реализирането на пилотен проект за жилищно отопление чрез слънчеви колектори. Пилотният проект е реализиран през 1994 г. със скромни параметри, но осигурява ценна информация за вземане на решение. След редица тестове се оказва, че е възможно с 4 Kwh електроенергия да се добива 1 мегават слънчева енергия (електроенергията е необходима за помпата, която циркулира работната течност - водата).

През 1996 г. проектът е разширен до 8038 кв. м. слънчеви панели и 2100 куб. метра сезонен буфер. След 2002 г. са осъществени два проекта за разширяване на слънчевата топлофикация. Тя достига 33 365 кв. метра слънчеви колектори към 2012 г.На база челния опит на Марстал много други градове в Европа изграждат слънчеви топлофикации. Те са много популярни в Дания, Германия, Австрия, Франция, Швеция. Броят им вече се измерва в стотици. Само в Дания слънчевите топлофикации отчетоха „рекорд“ от 1 милион квадратни метра инсталирани слънчеви колектори през 2016 година.

Интересна подробност в този процес е, че технологията добива популярност първо в по-северните европейски страни, а едва в последните години започна да привлича вниманието на по-южните държави, които имат по-изобилно слънчево греене - такива като Испания, Италия, Чехия. Показателно за слънчевите топлофикации е, че най-новият квартал на Фрайбург - града, наричан „зелена столица на Европа“ - ще се изгради с покривни слънчеви колектори за отопление, а не с фотоволтаични покриви, каквито бяха монтирани в по-старите квартали (и се превърнаха в емблема на устойчивостта).

Приложение на ледени топлофикации

Т. нар. ледени топлофикации са по-нова разработка от слънчевите и са все още по-слабо популярни. През 2017 г. стана ясно, че един нов квартал в Щутгарт ще използва подземен леден буфер, за да отоплява жилищата през зимата. Новият квартал „Розенщайн“ в Щутгарт се състои от ниски жилищни сгради с по 5 етажа, с общо 500 апартамента. За постигането на устойчивост всички жилищни сгради в „Розенщайн“ имат соларни покриви - покрити с фотоволтаични панели и термални соларни колектори. Под една от детските площадки между блоковете е вграден сезонният топлинен буфер. Това е огромен басейн с вода, която през зимата се охлажда до кристализирането и превръщането си в лед.

Така нареченият „леден буфер“ представлява резервоар с 800 хиляди литра вода. С помощта на термопомпа топлината от водата се отнема, за да се „прати“ в домовете. Тя осигурява зимното отопление на жилищата. Във всеки от апартаментите има серпентина, вградена в пода, която затопля дома с енергията, получена от подземния басейн чрез термопомпата. В началото на отоплителния сезон температурата на водата в подземния резервоар е около 16 градуса. С извличането на топлината температурата на течността постепенно намалява. Когато спадне до 0 градуса, започва кристализацията. Замръзващата вода се използва дотогава, докогато басейнът достигне температура от около -5 градуса.

Обемът на басейна е предвиден да може да отоплява комплекса през по-голямата част от зимата без нужда от допълнително подгряване. Той е висок 9 метра, широк 6 метра и дълъг 17 метра. Над земята почти нищо не издава наличието на подземното съоръжение, с изключение на елегантно прикрито малко стълбище, чиито вход наподобява малък пешеходен подлез. За да се гарантира, че при непредвидени обстоятелства домовете няма да останат студени, системата с ледения буфер е резервирана с газов когенератор. Той обаче се включва само при нужда.

Приложение на геотермални топлофикации

Десетки градове в Европа имат геотермални системи за топлофициране, като особено активни в тези разработки са Унгария и, в последно време, Великобритания. Един пресен пример за преход към геотермалната технология в мащаб, за топлофициране, е унгарското градче Мошонмадяровар, което изгражда система за отоппление само с геотермална енергия, след като през 2019 г. беше подписан договор с местни компании за изграждането на централно геотермално отопление в селището. Новата отоплителна система ще замени топлофикацията на природен газ. Геотермалната система ще осигурява базовото отопление, а газовите генератори ще останат в готовност да помагат само в случай на извънредна нужда.

Разположеният в северозападна Унгария град има население 33 318 души. Капацитетът на централата ще бъде 10 MW топлинна енергия. Очаква се първият отоплителен сезон, в който градът ще разчита само на геотермалната енергия, да започне тази есен.
Местните власти очакват системата да стабилизира енергийното снабдяване и да намали цените на отоплението в града. Освен всичко новото геотермално отопление ще спести на природата 7500 тона въглероден диоксид.

Нискотемпературно отопление

В Европа през последните години се наблюдава тенденция за преход към т. нар. нискотемпературно отопление на сградите. Тъй като домовете са все по-добре изолирани, технологията става все по-приложима. Характерно за нея е, че вместо добре познатите радиатори и „лири“ тук се използват тръбни серпентини, вградени в пода и стените. Самият работен флуид не е толкова горещ: докато температурата на подаване на водата за централно отопление в традиционната отоплителна система е между 75°C и 85°C, при нискотемпературно отопление тази температура е между 35°C и 55°C.

Нискотемпературното отопление (LTH) затопля пространството по-равномерно, с по-постоянен темп и по начин, който е по-екологичен от обикновената централна отоплителна система. В допълнение, отоплението с ниска температура щади джоба - то е по-евтино.Нискотемпературното отопление се счита за значително по-ефективно: при него температурата на въздуха в близост до тавана не е много по-висока от тази на въздуха в близост до пода. Това означава, че топлината се разпределя по-равномерно, отколкото при традиционното отопление. Няма въздушни течения в интериора и студени ъгли в обитаемите пространства. Всичко това прави отоплението значително по-ефективно и по-евтино. Термалният комфорт пък е от най-високо ниво.

Специални колектори

Изграждането на слънчеви и топлофикационни системи разчита на специален клас слънчеви колектори за подгряване на водата. Те са значително по-големи от традиционните слънчеви колектори за индивидуални проекти.
Свързват се помежду си чрез тръбна система и са оборудвани със сензори. Свързването им се проектира с особено внимание, така че да се предотврати вероятността от възвиране на водата в панелите. Обичайната практика е колекторите да се разположат на поле - най-често земеделска  земя в близост до комплекса/селището, където ще се използва топлоенергията. Технически е възможен и сценарий с монтиране на колекторите върху плоските покриви - например върху жилищните блокове (такъв е случаят с ледената топлофикация в Розенщайн и новите квартали на Фрайбург). Второто обаче предполага значително по-сложна тръбопроводна система - желателно е да е проектирана преди започването на строежа на сградите.

Дълготрайността на слънчевите колектори достига над 30 години, според производителите. Наскоро проведен лабораторен анализ на състоянието на слънчеви колектори на възраст 13, 15 и 26 години в Техническия университет в Копенхаген показа нищожна деградация на материалите. Панелите могат да продължат да функционират още няколко десетилетия, бе заключението на учените.

Приложимост в България

Фактът, че слънчевите и ледените топлофикации са зародени и популярни в централноевропейски страни въпроса защо българските села, квартали и жилищни комплекси не се отопляват по този метод. По-интензивното слънчево греене и по-големият брой слънчеви дни предполагат, че у нас подобна система би била много по-ефективна. Наскоро проведен анализ на Институт за нулевоенергийки сгради (ИНЕС) изследва приложимостта на метода в България. Заключението е, че у нас технологията е приложима на ниво малък град, отделен жилищен квартал или дори само отделен жилищен блок. Тя може да се вгради и при ново строителство, и при стари сгради.
Слънчева топлофикация може да се предвиди при изграждането на нови жилищни квартали, като създаването им се планира още при проектирането на комплекса. Подобна система може да се създаде и за цели малки градчета. По-маломерни инсталации също са напълно възможни: така например е реалистично жилищен блок, болница, хотелски комплекс - имайки свободно подземно пространство - да изгради воден буфер, разполагайки самите слънчеви колектори на покрива си.

Геотермалните топлофикации са приложими в страната и в двете си вариации ниско- и високотемпературни. Картата на геотермалните ресурси в страната показва, че подземната горещина може да се използва директно за отопление на сгради, квартали и цели села в райони като София и околнистите є, Сапарева Баня, Велинград, Видин и др.
Налице е и достатъчно геотермален ресурс за изграждане на геотермални сондажи в зоните, където не са налични горещи извори.Потенциалът за приложение на слънчеви, ледени и геотермални топлофикации в България е слабо изследван. Изобилното слънчево греене на тази географска ширина и многобройните горещи извори из страната дават основание да се смята, че енергийните ресурси, които могат да се оползотворят, са огромни и, при добро планиране, биха направили почти ненужни мощностите, базирани на изкопаеми горива.

Изследване от 2017 г. показва, че 70% от отоплението и подгряването на битова топла вода в жилищния квартал „Кайсиева градина“ във Варна може да се покрива от слънчева енергия чрез слънчева топлофикация. Анализът показа още, че потенциалната инвестиция в слънчева топлофикационна система в България може да се изплати в рамките на 10-12 години. След този период потребителите на мрежата на практика биха черпили безплатна енергия от слънцето. При живот на слънчевите колектори от 25 или повече години това означава, че днешната инвестиция в екологичната топлофикационна технология може да осигури безплатна енергия за цяло поколение българи.