У статті проаналізовано актуальні проблеми теплопостачання та енергозбереження, а також визначено перспективи їх вирішення шляхом впровадження енергозберігаючих інноваційних систем автономного постачання теплової енергії. Розглянуто їх альтернативні види та модифікації, визначено особливості функціонування, переваги та недоліки кожного. Доведено, що такі системи є однією з реальних перспектив, що підвищують ефективність для споживачів тепла. Обґрунтована відносна економічна ефективність їх використання.

Ключові слова: технологічні інновації, енергозбереження, автономні системи теплопостачання, енергія сонця, енергія землі.

The article deals with the problem of heat and energy, and also the prospects for their solving by implementing of energy–saving innovation systems of autonomous heat energy supplying. Their alternative forms and modifications are considered. Operation features, advantages and disadvantages each of them are identified. We prove that such systems are one of the real prospects that increase efficiency for heat consumers. Relative economic efficiency of their using is proved.

Keywords: technological innovation, energy–saving, autonomous heating system, solar power, earth power.

Вступ. У сфері забезпечення населення та підприємств тепловою енергією в нашій країни склалася надзвичайно складна ситуація. Проблеми накопичувались протягом багатьох років. Однак на сьогодні криза, що вплинула безпосередньо на системи міського комунального господарства і в першу чергу на підприємства, які виготовлять, розподіляють теплоенергію та надають послуги з експлуатації централізованих систем, значно їх посилила і актуалізувала необхідність термінового пошуку шляхів вирішення. Незадовільними є не лише вартість і система тарифікації послуг з опалення та гарячого водопостачання, що надаються окресленими підприємствами, а й їх якість. Про це свідчать і численні аварії систем за період з початку опалювального сезону, і випадки, коли опалення взагалі не підключалося з причини наявності боргів за природний газ з боку підприємств теплової комунальної енергетики.

Реформи у сфері теплопостачання, започатковані відповідними законодавчими і нормативним актами, передбачали розробку та затвердження місцевими органами влади схем теплопостачання міст, програм модернізації об’єктів систем теплопостачання, а також відповідних методичних рекомендацій. Але на даний момент такі проекти теплопостачання для багатьох міст ще взагалі не розроблено, а для багатьох регіонів вони розроблялися без урахування або за відсутності схем територіального розвитку та генеральних планів міст [1]. Це обумовлює необхідність пошуку перспектив використання альтернативних автономних інноваційних систем теплопостачання для споживачів теплової енергії.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Питанням інноваційної політики в сфері енергозабезпечення присвячені роботи вітчизняних і зарубіжних дослідників, таких як Б. Буркинський, Б. Данилишин, Є. Добровец, В. Захарченко, І. Звягін, Ю. Казанов та інших. Проблеми енергоефективності сфери централізованого теплопостачання аналізуються в публікаціях А. Блащука, І. Надєіна, А. Сигала, І. Черкашина, А.  Шевцова та інших дослідників. Але проблема пошуку реальних перспектив і можливостей ефективного теплопостачання для споживачів залишається невирішеною, що обумовлює необхідність та формує відповідний сегмент для подальших досліджень.

Постановка завдання. Дана стаття присвячена розгляду причин, які зумовлюють надмірні витрати і зниження ефективності централізованого теплопостачання, а також опрацюванню перспектив використання технологічних інновацій для розвитку автономних систем, що дозволяють використовувати альтернативні джерела теплової енергії.

Результати дослідження. Однією з основних причин неефективної роботи підприємств комунальної сфери, зношеності й технологічної відсталості їх об’єктів є невідповідність тарифів реальним витратам на виробництво і постачання теплової енергії. Детальні розрахунки, на основі яких встановлюється економічно обґрунтований рівень тарифів, що міг би забезпечити задовільну роботу підприємств комунальної сфери кожного міста, проводяться Національною комісією, яка здійснює державне регулювання у сфері комунальних послуг. Рівень же реальних тарифів, за якими населення сплачує за послуги з теплопостачання, регулюється Урядом – тарифи для населення встановлені на рівні, який не перевищує 10% від середньостатистичних загальних витрат домогосподарств [2]. При цьому порушується принцип соціальної справедливості, коли дотуються не тільки бідні, але й заможні споживачі, причому останні навіть у більшій мірі. Згідно з розрахунками комісії, існуючий на сьогодні тариф покриває лише 70% собівартості послуг, різниця ж відшкодовується з держбюджету [1].

Головною складовою витрат підприємств теплової комунальної енергетики (ТКЕ) є витрати на закупівлю природного газу. У середньому по Україні в структурі витрат підприємств ТКЕ вартість природного газу складає 65%, електроенергії – близько 10%, заробітна плата – до 25%, інші витрати – близько 10% [2]. Для потреб централізованого опалення окреслені підприємства закуповують газ по середньому тарифу 1 309 грн. за тисячу кубічних метрів, який є нижчим, ніж ціна імпортованого російського газу (близько 3 400 грн./тис. куб. м). Але навіть цей тариф не дозволяє підприємствам працювати рентабельно. Найнижчий рівень тарифу встановлено для побутових потреб населення і для потреб індивідуального опалення (від 725 грн./тис. куб. м), до того ж він є диференційованим залежно від обсягів споживання та інших умов. І, нарешті, найвищий ціновий коридор існує для комерційних споживачів – якщо вони не мають пільг, ціна газу для них досягає 4 700 грн./тис. куб. м і навіть вище.

Іншими факторами, вплив яких обумовлює неефективність теплопостачання, є надзвичайна інертність систем централізованого опалення, неможливість гнучко реагувати на зміну температури повітря за вікнами, колосальні втрати тепла при транспортуванні від виробника до споживача.

Ці та інші причини змушують домовласників і підприємців шукати альтернативні можливості опалення, в основному такі, які засновані на експлуатації відновлюваних джерел енергії і використанні інноваційних технологій. Відомо, що існує декілька різних способів передачі тепла від одного об’єкта до іншого, а саме:

–     контактний – у цьому випадку тепло передається при безпосередньому контакті предметів, гарячий предмет передає тепло до холодного;

–     конвективний – у цьому випадку тепло передається за допомогою проміжного теплоносія. Наприклад, традиційне радіаторне опалення, за допомогою якого нагрівається повітря, яке у свою чергу обігріває навколишні предмети;

–     радіаційний – нагрівання відбувається за допомогою хвиль інфрачервоного спектра.

Найбільш перспективними для використання у інноваційних розробках в сфері технологій теплопостачання є останні два способи [3]. Проаналізуємо основні з таких технологій – ті, які засновані на використання сонячних колекторів, теплових насосів та плівкових обігрівачів.

Сонячний колектор являє собою пристрій, до складу якого входить пластина і абсорбуючий елемент, що поглинає сонячну енергію, перетворює її на теплову і передає теплоносію. Абсорбуючий матеріал з одного боку покритий шаром спеціального прозорого матеріалу, а з іншої – тепловим ізолятором, для мінімізації тепловтрат. Головною сировиною у виготовленні абсорбера є мідь, оскільки вона характеризується найбільшою теплопровідністю [4]. Сонячний колектор може забезпечувати різні потреби, тобто мати різне функціональне призначення. Зокрема, він може використовуватися для гарячого водопостачання, посилення низькотемпературного опалення, нагріву басейну тощо.

Теплові насоси мають великий термін експлуатації, не завдають шкоди навколишньому середовищу і є повністю пожежобезпечними. Вони являють собою економічні, екологічно чисті та безшумні системи, за допомогою яких видобувається тепло з природних теплоносіїв – ґрунтових вод, підземних надр або повітря.

Геотермальні або, так звані, ґрунтові теплові насоси замкнутого типу засновані на використанні тепла землі, наземних або підземних ґрунтових вод і відповідно бувають різних типів [5]:

–     горизонтальні ґрунтові теплові насоси: колектор розміщується на площині горизонтально нижче глибини промерзання ґрунту (зазвичай від 1,20 м і більше). Цей спосіб можливо застосовувати за умови наявності земельної площі під контур;

–     вертикальні ґрунтові теплові насоси: колектор розміщується вертикально у свердловині глибиною до 200 м;

–     водні або водяні теплові насоси: колектор розміщується у будь–якому найближчому водоймі нижче глибини промерзання;

–     насоси відкритого типу, в яких вода після віддачі тепла повертається назад у землю;

–     повітряні теплові насоси, джерелом відбору тепла в яких є повітря навколишнього середовища.

Все частіше в якості альтернативи газовому опаленню застосовують плівкові електричні нагрівачі (ПЛЕН). Плівковий нагрівач, являє собою гнучку сендвіч–стрічку, що складається із двох або більше шарів лавсанової плівки. Конструктивно використовується два варіанти виконання плівкового нагрівача:

–     між двома шарами лавсанової плівки знаходиться резистивний нагрівальний шар з тонкої металевої нитки високого опору;

–     нагрівальним елементом є алюмінієва фольга, до якої приламіновано зовнішній шар лавсанової плівки.

Із усіх варіантів електричного опалювального обладнання окремо варто виділити електричні конвектори, що вже зараз лідирують за рівнем продажів на ринку електрообігрівачів. Перш за все, вони відрізняються простотою побудови пристрою та його застосування. Конвектор розміщують в нижній частині приміщення, практично біля самої підлоги, на висоті максимум 15 см від плінтуса. Згідно з законами фізики, саме внизу знаходиться холодне повітря, яке через забірні грати потрапляє в конвектор. Повітря, проходячи через гарячий радіатор, практично миттєво прогрівається. Піднімаючись вгору, воно минає верхні жалюзі та покидає конвектор. Як наслідок, в приміщенні відбувається безперервний рух повітря – теплі маси повітря піднімаються вгору, охолоджуються, досягаючи стелі, і опускаються вниз, щоб знову пройти через конвектор. Виходить замкнутий цикл, для стабільності якого не вимагається вбудований вентилятор, завдяки чому досягається практично абсолютна безшумність роботи. Сучасні електричні конвектори мають електронний термостат, що дозволяє точно (до 0,1°С) дотримуватись заданої температури. Для повного контролю над домашнім мікрокліматом конструкція приладів дозволяє задіяти додаткові пристрої [6].

Висновки. Результати проведеного аналізу свідчать, що окреслені технології сьогодні є найперспективнішими для застосування в системах автономного опалення для населення та підприємств. Але не зважаючи на привабливість перспективи автономного забезпечення теплом на основі використання альтернативних джерел енергії, в Україні вона залишається не дуже розповсюдженою. Всі зазначені технології потребують суттєвих початкових капіталовкладень. І хоча їх застосування дозволяє в подальшому майже вдвічі зекономити на опаленні приміщень, цінова ефективність таких інноваційних технологій істотно нижче стандартних схем, адже їх термін окупності, за нашими попередніми оцінками, становить від 7 до 36 років. Крім того, на вибір альтернативного варіанта системи опалення впливає багато інших, не лише економічних, заснованих на співвідношенні витрат і вигід, факторів. Необхідно враховувати, що будь–яка система автономного опалення вимагає регламентного обслуговування, дотримання певних правил експлуатації тощо.

Водночас, необхідно враховувати, що вартість комунальних послуг продовжуватиме дорожчати – за прогнозами Світового банку, вартість опалення в Україні в найближче десятиріччя зросте мінімум в 2–3 рази. Вартість використання альтернативних джерел енергії, навпаки, знижуватиметься внаслідок розвитку і здешевлення технологій. Отже цілком ймовірним і обґрунтованим виявляється те, що через 3–5 років використання таких автономних систем теплопостачання буде не лише гуманним, але й ефективним і доступним для широкого використання.

Література

1. Проблеми створення оптимальних систем теплозабезпечення міст України: Аналітична записка [Електронний ресурс] / Регіональний філіал НІСД у м. Дніпропетровську // Національний інститут стратегічних досліджень при Президентові України: офіційний сайт. – Режим доступу: http://www.niss.gov.ua/articles/1215/.
2. Єрьоменко А. Комунальні тарифи. Що далі?..: Інтерв`ю з головою Національної комісії, що здійснює державне регулювання у сфері комунальних послуг, В. Саратовим [Електронний ресурс] / А. Єрьоменко, В. Саратов // Дзеркало тижня. Україна: інформаційний ресурс. – 2013. – №2. – Режим доступу: http://gazeta.dt.ua/energy_market/komunalni–tarifi–scho–dali–rozmova–z–chinovnikom–yakiy–znaye–vse–pro–tarifoutvorennya.html.
3. Альтернативне опалення [Електронний ресурс] // ЕнергоРесурс: сайт. – Режим доступу:  http://energetyka.com.ua/energosberezhenie/201–alternativne–opalennya.
4. Сонячні колектори [Електронний ресурс] // Енергозберігаючі системи: сайт. – Режим доступу: http://energy–safe.com.ua/sonyachni–kolektori.html.
5. Тепловий насос: надійна інвестиція у майбутнє [Електронний ресурс] // Інжинірингова компанія «Тепло Вам»: сайт. – Режим доступу: http://teplovam.com/index.php/opalennya/5–teplovi–nasosy.
6. Як правильно обрати та придбати конвектор? Практичні поради [Електронний ресурс] // Noirot. Новітній формат тепла: сайт. – Режим доступу:http://www.noirot.net.ua/ua/yak–pravilno–obrati–ta–pridbati–konvektor/