Від пари до штучного інтелекту: еволюція централізованого опалення на шляху до сталого майбутнього міст

Сучасні міста невпинно зростають, ставлячи перед нами гострі питання сталого розвитку. Одним із ключових аспектів є забезпечення ефективного та екологічно чистого енергопостачання, особливо в сфері опалення. Централізоване теплопостачання (ЦТП), історія якого сягає кінця XIX століття, сьогодні переживає справжню революцію, стаючи ключовим елементом у створенні сталих міських екосистем.

Історичний екскурс: від парових гігантів до водяних артерій

Перші системи центрального опалення були винайдені у XVIII столітті. Шотландський винахідник Джеймс Ватт збудував першу діючу центральну котельню у своєму будинку. Його винахід використовував пару високого тиску, яка розподілялася трубами. Пізніше центральна котельня Ватта була використана в іншій промисловій будівлі в Манчестері. Перші системи теплопостачання, що з'явилися в США наприкінці позаминулого століття, також використовували пару як теплоносій. Ці інженерні рішення, хоч і новаторські для свого часу, мали свої недоліки та все ще функціонують у старих районах таких мегаполісів, як Нью-Йорк та Париж.

З часом технології розвивалися, і на зміну паровим системам прийшло друге покоління ЦТП, яке використовувало гарячу воду під тиском з температурою подачі понад 100 °C. Ці системи, що поширилися в Європі та США, виявилися більш ефективними та комфортними для споживачів, особливо завдяки можливості використання теплоелектростанцій (ТЕЦ) для комбінованого виробництва тепла та електроенергії, що сприяло економії палива. Багато з цих систем успішно працюють і сьогодні.

Однак, у 1970-х роках з'явилося третє покоління ЦТП, що характеризувалося деяким зниженням температури подачі гарячої води до рівня нижче 100 °C (зазвичай близько 90 °C). Хоча це дозволило дещо підвищити безпеку та розширити можливості використання різних джерел тепла, такі системи мають значні втрати тепла в мережах (10-30%) та вимагають використання дорогих сталевих труб, а також високотемпературних джерел енергії, переважно на основі спалювання. Зі зростанням енергоефективності будівель попит на централізоване тепло почав знижуватися, що призводить до збільшення відносних втрат та зниження загальної економічної ефективності таких систем.

Четверте покоління централізованого теплопостачання це комплексна система, що поєднує передові технології та організаційні рішення для сталого розвитку енергетики. Цього досягають завдяки інтеграції низькотемпературних джерел тепла з "розумними" енергосистемами, що підвищує загальну енергоефективність та полегшує використання відновлюваних джерел енергії для опалення та гарячого водопостачання. Крім того, такий підхід зменшує втрати енергії при транспортуванні, мінімізує розширення трубопроводів та знижує ризик опіків. Зменшення температури також дозволить використовувати дешевші матеріали, наприклад, пластик, для трубопровідних мереж, що в результаті призводить до зниження вартості теплової енергії, отриманої з відновних джерел, наприклад таких як сонячні колектори.

Чому централізоване опалення – основа сталого міста?

Сучасний погляд на міський розвиток вимагає системних рішень, що враховують екологічну вразливість та прагнуть до мінімізації вуглецевого сліду. У цьому контексті централізоване теплопостачання має низку ключових переваг, що роблять його більш сталим порівняно з індивідуальними системами опалення та охолодження.

Багато досліджень підтверджують вищу енергетичну ефективність централізованих систем завдяки можливості когенерації (одночасного виробництва тепла та електроенергії), утилізації тепла промислових відходів, а також інтеграції відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), таких як геотермальна та сонячна енергія.

Крім того, централізований підхід дозволяє більш ефективно впроваджувати принципи економіки замкненого циклу в енергетиці. Це передбачає використання низькопотенційного тепла стічних вод та відпрацьованої енергії, залучення місцевої біомаси, а також оптимізацію споживання енергії завдяки інтелектуальним системам.

П'яте покоління ЦТП: крок у майбутнє сталого тепла

Сьогодні ми стоїмо на порозі нової ери в розвитку централізованого теплопостачання – ери п'ятого покоління. Ця концепція знаменує собою якісний стрибок у досягненні енергоефективності та повної декарбонізації теплоенергетики. Зростаюча актуальність цього підходу зумовлена посиленням екологічних стандартів та підвищеною увагою суспільства до питань сталого розвитку.

Ключовими характеристиками п'ятого покоління ЦТП є:

• Значне зниження температури теплоносія (до рівня температури ґрунту – 50-60 °C, а іноді й нижче). Це призводить до мінімізації теплових та економічних втрат у мережах, які можуть зменшитися до 75% порівняно з традиційними системами. Зменшення температури також відкриває можливості для використання дешевших матеріалів для трубопроводів (наприклад, пластику) та інших компонентів.
• Двоконтурність системи з обміном тепла та холоду. Це дозволяє будівлям з різними потребами в опаленні та охолодженні обмінюватися енергією, підвищуючи загальну ефективність системи та сприяючи використанню низькопотенційних ВДЕ.
• Активне використання технологій акумулювання теплової енергії, що дозволяє оптимізувати використання відновлюваних джерел та зменшити залежність від пікового споживання.
• Замкнуті енергетичні цикли, що передбачають повторне використання та перерозподіл енергії всередині системи, мінімізуючи втрати та підвищуючи ефективність.
• Широка інтеграція альтернативних та відновлюваних джерел енергії, таких як геотермальна енергія, тепло промислових відходів, тепло стічних вод та високоефективні теплові насоси.
• Децентралізований підхід до виробництва енергії, орієнтований на реальний попит споживачів, що дозволяє уникнути надлишкової генерації та пов'язаних з нею втрат.

Концепція енергетичної петлі, що лежить в основі п'ятого покоління ЦТП, передбачає безвідходне використання енергії та активну роль споживача як учасника енергообміну. Гнучкість у виборі енергетичних джерел дозволяє містам використовувати місцеві ресурси, зменшуючи залежність від імпорту викопного палива та зміцнюючи місцеву економіку.

Таким чином, централізоване теплопостачання п'ятого покоління є не просто модернізацією існуючих систем, а якісно новим підходом до теплоенергетики міст. Завдяки зниженню температур, інтеграції ВДЕ, енергоефективним технологіям та децентралізації, воно стає ключовим елементом у створенні сталих, екологічно чистих та економічно вигідних міських енергетичних систем майбутнього.

Джерела:

1. Арсеньєва Ольга Петрівна, та ін.. «системи централізованого теплопостачання інтеграцією відновлювальних джерел енергії», Харків ХНУМГім.О.М.Бекетова 2023
2. LakeA., RezaieB., Beyerlein S. Review of district heating and cooling systems for a sustainable future. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 67. P. 417–425.
3. Gebremedhin A. Optimal utilisation of heat demand in district heating system–Acasestudy.RenewableandSustainableEnergyReviews.2014.Vol.30. P.230–236.
4. LiН., NordN. Transition to the 4th generation district heating – possibilities,bottlenecks,andchallenges.EnergyProcedia.2018.Vol.149.P.483–498.
5. 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe / S. Buffaetal. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 104. P. 504–522.
6. Renewable heating solutions for buildings; a techno-economic comparativestudyof sewage heat recoveryand solarborehole thermal energystorage system / S. Pokhrel et al. Energy and Buildings. 2022. Vol. 259. Art. No. 111892