Тепловой насос своими руками — принцип устройства. Теплонасосные установки (тепловые насосы) — альтернативное отопление дома

Вопрос 26. Полезное использование низкопотенциальных энергоресурсов. Теплонасосные установки

В последнее время появилась реальная возможность принципиально по-новому решать вопросы комплексного энергоснабжения промышленных предприятий путем применения тепловых насосов, использующих низкопотенциальные выбросы для выработки одновременно теплоты и холода. Одновременная выработка этих энергоносителей на тепловых насосах практически всегда более эффективна, чем раздельное получение теплоты и холода на традиционных установках, так как в этом случае необратимые потери холодильного цикла используются для получения теплоты, отдаваемой потребителю.

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т.е. Т н >Т о. Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например, окружающей среды.

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов: компрессионные (паровые); струйные (эжекторного типа); абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а также для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.

На рис.4 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса. В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II в состоянии 1 сжимаются до давления рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления р к до давления р о, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.

Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу, принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок. Однако присоединение потребителей осуществ-ляется по-разному. В схемах холодильных установок потребитель холода присое-динен к испарителю, а в теп-лонасосных - потребитель тепла к конденсатору.

Тепловые насосы относятся к установкам трансформации теплоты, к которым также относятся холодильные ( 120 К), криогенные ( =0…120 К) и комбинированные ( , ) установки. Все данные установки работают по обратным термодинамическим циклам, в которых с затратой внешней работы происходит перенос тепловой энергии от тел с низкой температурой (теплоотдатчиков) к телам с высокой температурой (теплоприемникам). Но если функция холодильных и криогенных установок – охлаждение тел и поддержание низкой температуры в холодильной камере, т.е. отвод тепла, то основная функция тепловых насосов – подвод теплоты к высокотемпературному источнику с использованием низкотемпературной тепловой энергией. При этом выгодно то, что количество получаемой высокотемпературной теплоты может быть в несколько раз выше затраченной работы.

Трансформатор тепла может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка; при этом Т н < Т о и Т н > Т о. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированном процессе происходит одновременно выработка тепла и холода - охлаждается среда А и нагревается среда Б. Таким образом, в холодильных установках осуществляется искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды. В теплонасосных установках используется тепло окружающей среды или других низкопотенциальных сред для целей теплоснабжения.

Идеальные циклы Карно установок трансформации теплоты представлены на рис.5.

Эффективность холодильных машин ( - полезный эффект, количество теплоты, отобранной от более холодного теплоносителя) оценивается холодильным коэффициентом. Для теплового насоса используется понятие коэффициент трансформации ( - полезный эффект, количество теплоты, отданное нагреваемому теплоносителю) или отопительный коэффициент, т.е. количество полученной теплоты на единицу затраченной работы.

, ,

, .

Для реальных тепловых насосов = 2 - 5.

Реальная установка имеет потери, вызванные необратимостью процессов сжатия (внутренняя) и теплообмена (внешняя). Внутренняя необратимость обусловлена вязкостью хладоагента и выделением теплоты внутреннего трения при сжатии в компрессоре (энтропия растет). Действительная работа сжатия , где - идеальная работа в обратимом процессе; - относительный внутренний КПД компрессора; - электромеханический КПД привода.

Внешняя необратимость объясняется необходимостью иметь разность температур для возникновения теплообмена, которая задается (определяется) площадью теплообменной поверхности при заданном тепловом потоке.

Поэтому и ,

где , - температуры соответственно в испарителе и конденсаторе установки.

Струйные тепловые насосы эжекторного типа в настоящее время получили широкое применение. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счет использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки.

Пар высокого давления с параметрами р р и Т р поступает в струйный аппарат (рис.6). За счет использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока с па­раметрами р н и Т н . Из аппарата выходит смесь потоков с параметрами р с и Т с. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура (а следовательно, и энтальпия). Сжатый поток пара затем выводится из установки. Степень повышения давления р с / р н в таких аппаратах, называемых струйными компрессорами, сравнительно невелика и находится в пределах 1,2 ≤ р с / р н ≤ 4.

Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т.е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щелочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счет использования тепла, подведенного извне.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса приведена на рис.7.

В качестве рабочего вещества в абсорбционных тепловых насосах применяется раствор двух веществ (бинарная смесь), которая различается температурой кипения при одинаковом давлении. Одно вещество поглощает и растворяет второе вещество, являющееся рабочим агентом. Рабочий цикл абсорбционного теплового насоса осуществляется следующим образом. В испарителе 3 через стенки теплообменника к бинарному раствору подводится теплота низкого потенциала при температуре T о. Подведенная теплота обеспечивает испарение из бинарной смеси рабочего агента при давлении р о. Полученные пары рабочего агента из испарителя по трубопроводу поступают в абсорбер 2, где поглощаются растворителем (абсорбентом), и выделяется теплота абсорбции Q a . Образовавшийся в абсорбере крепкий жидкий раствор насосом 1 подается в генератор 6. К генератору подводится теплота Q г затрачиваемая на выпаривание рабочего агента при высоком давлении р к, и соответственно высокой температуре Т к. При выпаривании над поверхностью раствора образуются пары рабочего агента, а сам раствор становится слабым. Слабый раствор по трубопроводу направляется в абсорбер 2, понижая давление во вспомогательном терморегулирующем вентиле 7 до давления в испарителе р о. Образовавшиеся в генераторе пары рабочего агента поступают в конденсатор 5, где через разделительную стенку отдают теплоту конденсации Q к при высокой температуре Т к. Сконденсировавшийся в конденсаторе рабочий агент понижает в терморегулирующем вентиле давление с р к до р о, с которым поступает в испаритель. Затем процесс повторяется.

Для работы идеального абсорбционного теплового насоса характерно следующее уравнение теплового баланса:

где Q н - количество теплоты низкого потенциала, подведенной в испарителе;

Q г - количество теплоты высокого потенциала, подведенной к генератору;

Q нас - теплота, эквивалентная работе насоса;

Q к - количество отведенной теплоты высокого потенциала в конденсаторе;

Q а - количество отведенной теплоты низкого потенциала в абсорбере.

Рабочим агентом обычно является вода, а абсорбентом - бромид лития.

Для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, имеющих большой объем воды для охлаждения технологических агрегатов, температура которой находится в пределах от 20 до 50°С, необходимо применять абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы, которые в летнее время будут работать в режиме охлаждения оборотной воды, а в зимнее время сбросную теплоту оборотной воды использовать для выработки горячей воды для отопления цехов. В табл.6 указаны параметры абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов (АБТН).

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий кпд, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

Таблица 6

Параметры АБТН

Рабочие агенты и теплоносители (хладоносители)

в трансформаторах тепла

Для осуществления процессов в трансформаторах тепла применяют рабочие вещества (агенты), обладающие необходимыми термодинамическими, физико-химическими свойствами. Они могут быть однородными или являются смесью нескольких, обычно двух, веществ. У большинства трансформаторов тепла рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям. В настоящее время в трансформаторах тепла применяют следующие рабочие вещества:

а) холодильные агенты - вещества, имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения от +80 до -130 °С. Холодильные агенты с температурой кипения от +80 до -30 °С применяются обычно в теплонасосных установках, а с более низкими температурами кипения от 0 до -130 °С - в установках умеренного холода;

б) газы и газовые смеси (также воздух) с низкими температурами кипения;

в) рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;

г) вода, применяемая по своим теплофизическим свойствам в холодильных установках, где температура нижнего источника, тепла tн>0°С, например для кондиционирования воздуха.

Для экономичной и безопасной работы трансформаторов тепла холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь невысокое избыточное давление при температуре кипения и конденсации, большую теплопроизводительность 1 кг агента, малый удельный объем пара (при поршневых компрессорах), малую теплоемкость жидкости и высокие коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи;

б) иметь невысокую вязкость, возможно более низкую температуру затвердения, не растворяться в масле (при поршневых компрессорах);

в) быть химически стойким, негорючим, невзрывоопасным, не вызывать коррозии металлов;

г) быть безвредным для организма человека;

д) быть недефицитным и недорогим.

Рабочие агенты газовых холодильных установок должны иметь низкую нормальную температуру кипения, малую вязкость, большую теплопроводность и теплоемкость С р, мало зависящую от температуры и давления.

Рабочие агенты абсорбционных установок, кроме удовлетворения вышеперечисленных требований, должны хорошо абсорбироваться и десорбироваться в сочетании с соответствующими сорбентами.

Экономическая эффективность применения тепловых насосов зависит от:

Температуры низкопотенциального источника тепловой энергии и будет тем выше, чем более высокую температуру он будет иметь;

Стоимости электроэнергии в регионе;

Себестоимости тепловой энергии, производимой с использованием различных видов топлива.

Использование тепловых насосов вместо традиционно используемых источников тепловой энергии экономически выгодно ввиду:

Отсутствия необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим;

Высвобождения значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом.

Наибольший потенциал энергосбережения имеется в сфере теплоснабжения: 40 - 50% всего теплопотребления страны. Оборудование существующих ТЭЦ физически и морально изношено, эксплуатируется с перерасходом топлива, тепловые сети являются источником больших потерь энергии, мелкие теплоисточники отличаются низкой энергоэффективностью, высокой степенью загрязнения окружающей среды, повышенными значениями удельных стоимостей и трудозатрат на обслуживание.

ТНУ дают возможность:

1) минимизировать протяженность тепловых сетей (приблизить тепловые мощности к местам потребления);

2) получать в системах отопления 3 - 8 кВт эквивалентной тепловой энергии (в зависимости от температуры низкопотенциального источника, затрачивая при этом 1 кВт электроэнергии).

К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире следующие:

В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы; только за последние годы введено более 100 (от 5 до 80 МВт) теплонасосных станций;

В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый киловатт установленной мощности;

В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов;

В США 30 % жилых зданий оборудовано тепловыми насосами, ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов;

В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой + 8 о С;

В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении (коммунальная сфера и производства) составит 75%.

Причины массового признания тепловых насосов следующие:

Экономичность. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт тепловой энергии, тепловому насосу нужно лишь 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии;

Экологическая чистота. Тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;

Минимальное обслуживание. Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10 - 15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Для работы теплонасосной станции мощностью до 10 МВт не требуется более одного оператора в смену;

Легкая адаптация к имеющейся системе теплоснабжения;

Короткий срок окупаемости. В связи с низкой себестоимостью произведенного тепла тепловой насос окупается в среднем за 1,5 - 2 года (2 - 3 отопительных сезона).

Сейчас имеются два направления развития ТНУ:

Крупные теплонасосные станции (ТНС) для централизованного теплоснабжения, включающие парокомпрессионные ТНУ и пиковые водогрейные котлы, используемые при низких температурах воздуха. Электрическая (потребляемая) мощность ТНУ составляет 20 - 30 МВт, тепловая – 110 - 125 МВт. По сравнению с обычными котельными достигается экономия топлива в размере 20 - 30%, снижается загрязнение воздуха (нет котельной!);

Децентрализованное индивидуальное теплоснабжение (маломощные парокомпрессионные ТНУ и термоэлектрические полупроводниковые ТН). Экономия топлива по сравнению с мелкими котельными составляет 10 - 20%. Возможно хладоснабжение. Сопровождается высокими удельными расходами топлива, капиталовложениями и трудозатратами.

Теплонасосные установки (ТНУ) используют естественную возобнов­ляемую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, воздуха, грунта) и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива. Теплонасосные установки работают по термодинамическому циклу Карно, в котором рабочей жидкостью служат низкотемпературные жидкости (аммиак, фреон и др.). Перенос теплоты от источника низкого потенциала на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в компрессоре (пароком - прессионные ТНУ) или дополнительным подводом теплоты (в абсорбцион­ных ТНУ).

Применение ТНУ в системах теплоснабжения - одно из важнейших пересечений техники низких температур с теплоэнергетикой, что приводит к энергосбережению невозобновляемых источников энергии и защите ок­ружающей среды за счет сокращения выбросов СО2 и NOx в атмосферу. Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах теп­лоснабжения в сочетании с другими технологиями использования возоб­новляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии) и по­зволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наи­более высоких экономических показателей.

Выберем в качестве рабочего хладагента - R 22, имеющего следующие параметры: расход хладагента Оа = 0,06 кг/с; температура кипения Т0 = 3 °С; температура конденсации Тк = 55 °С; температура теплоносителя на входе в испаритель от источника низкого потенциала Ґн = 8 °С; температу­ра теплоносителя (воды) на выходе из конденсатора f = 50 °C; расход теп­лоносителя в конденсаторе Ок = 0,25 кг/с; перепад температур теплоноси­теля в конденсаторе Д4 = 15 °C; мощность, потребляемая компрессором, N = 3,5 кВт; теплопроизводительность ТНУ = 15,7 кВт; коэффициент пре­образования цтн = 4,5.

Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ приведена на рис. 7.2 и включает испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель.

4 - расширительный дроссельный клапан; 5 - змеевик испарения хладаген­та;

6 - бак испарения; 7 - вода низкопотенциального источника энергии

8 - сток к НИЭ; 9 - вода из системы отопления или водопровода;

Становятся все менее выгодными и утрачивают свою актуальность. Сжигание газового или жидкого топлива в котлах, как никогда прежде, отягощает бюджет. Существенной экономии можно достичь, если использовать тепловые насосы для отопления дома. В них заложен принцип потребления бесплатной природной энергии, которая повсюду. Ее нужно только взять.

Эффективность вложений

Сжиженный газ и дизельное топливо не могут соперничать с тепловыми насосами ни по текущим затратам, ни по комфорту эксплуатации. Использование для отопления твердого топлива трудно поддается автоматизации и требует больших трудозатрат. Электроэнергия комфортный, но дорогой вид энергии. Для подключения электрического котла нужна отдельная мощная линия. До сих пор в отечественных условиях природный газ оставался наиболее востребованным и удобным видом топлива. Но он имеет ряд недостатков:

1. Оформление разрешений.
2. Согласование проекта в контролирующих органах и с соседями.
3. Часть операций по врезке и подключению могут выполнять только уполномоченные организации.
4. Периодическая поверка счетчика.
5. Ограниченное распространение сети и удаленность точек подключения.
6. Высокие затраты на прокладку питающей линии.
7. Газоиспользующее оборудование является источником потенциальной угрозы и требует регламентированного контроля.

Существенным недостатком теплового насоса можно считать только высокие капитальные вложения на этапе закупки оборудования и монтажа. Цена стандартной отопительной системы на тепловом насосе с геотермальным теплообменником складывается из стоимости работы бурильщиков и специфического оборудования с монтажом. В комплект входят:

• комплект зондов;
• пропиленгликоль;
• бойлер косвенного нагрева для горячей воды;
• комплект насосного оборудования и автоматики.

Работы выполняются квалифицированным персоналом с профессиональным инструментом. Несколько более высокие первоначальные затраты уравновешивается серьезными достоинствами:

1. Теплонасосная установка очень экономична, что позволяет окупить дополнительные затраты всего за несколько сезонов.
2. Есть широкие возможности для реализации гибкого автоматизированного управления с минимумом обслуживания.
3. Комфорт использования.
4. Хорошая приспособленность для установки в жилых помещениях, благодаря эстетичному и современному дизайну.
5. Охлаждение помещений на базе того же комплекта оборудования.
6. При работе на охлаждение помимо активного режима работы есть возможность использования пониженной температуры природной воды и грунта для реализации пассивного режима без лишних затрат энергии.
7. Невысокая мощность оборудования не требует прокладки питающего кабеля большого сечения.
8. Отсутствие необходимости в разрешительной документации.
9. Возможность использования существующей разводки отопительных приборов.

На производство 1 кВт тепловой мощности достаточно затратить не более 250 Вт. Для отопления частного домовладения на 1 м.кв. площади потребляется всего около 25 Вт/час. И это с учетом горячего водоснабжения. Еще больше повысить энергоэффективность можно путем улучшения теплоизоляции дома.

Как это работает

Тепловой насос, принцип работы которого основан на цикле Карно, расходует энергию не на нагрев теплоносителя, а на перекачивание внешнего тепла. Технология не нова. Тепловые насосы трудятся в наших домах в составе холодильников уже десятки лет. В холодильнике тепло из камеры перемещается наружу. В новейших отопительных установках реализуется обратный процесс. Несмотря на низкую температуру за бортом, энергии там предостаточно.

Забирать тепло у более холодного тела и отдавать его более горячему становиться возможным, благодаря свойству вещества потреблять энергию при испарении и выделять ее при конденсации, а также повышать свою температуру в результате сжатия. Необходимые условия для кипения и испарения создаются путем изменения давления. В качестве рабочего тела используют жидкость с низкой температурой кипения – фреон.

В тепловом насосе преобразования происходят в 4 этапа:

1. Охлажденное ниже температуры внешней среды жидкое рабочее тело циркулирует по контактирующему с ней змеевику. Жидкость нагревается и испаряется.
2. Газ сжимается компрессором, в результате чего его температура превышается.
3. В более холодном внутреннем змеевике происходит конденсация с выделением тепла.
4. Жидкость перепускается через дросселирующее устройство для поддержания разности давлений между конденсатором и испарителем.

Практическая реализация

Непосредственный контакт испарителя и конденсатора с внешней и внутренней средой не характерен для систем отопления на базе тепловых насосов. Передача энергии происходит в теплообменниках. Прокачиваемый по внешнему контуру теплоноситель отдает тепло холодному испарителю. Горячий конденсатор передает его в систему отопления дома.

Эффективность такой схемы сильно зависит от разности температур внешней и внутренней сред. Чем она меньше, тем лучше. Поэтому тепло редко отбирают у наружного воздуха, температура которого может быть очень низкой.

По месту забора энергии различают установки следующих типов:

• «грунт-вода»;
• «вода-вода»;
• «воздух-вода».

В качестве теплоносителя в грунтовых и водяных системах используют безопасные незамерзающие жидкости. Это может быть пропиленгликоль. Использование этиленгликоля для таких целей не допускается, так как при разгерметизации системы он вызовет отравление почв или водоносных горизонтов.

Установки «грунт-вода»

Уже на небольшой глубине температура грунта мало зависит от погодных условий, поэтому грунт является эффективной внешней средой. Ниже 5 метров, условия не меняются в любое время года. Различают 2 типа установок:

• поверхностный;
• геотермальный.

В первых на участке роются протяженные траншеи на глубину ниже уровня промерзания. В них кольцами раскладываются пластиковые трубы сплошного сечения и засыпаются землей.

В геотермальных системах теплообмен происходит на глубине, в скважинах. Высокие и постоянные температуры в глубинах земли дают хороший экономический эффект. На участке бурятся скважины глубиной от 50 до 100 м в необходимом по расчету количестве. Для одних строений может быть достаточно 1 скважины, для других и 5 будет мало. В скважину опускаются теплообменные зонды.

Установки «вода-вода»

В таких системах используется энергия незамерзающей зимой воды на дне рек и озер или грунтовых вод. Различают 2 типа водяных установок в зависимости от места реализации теплообмена:

• в водоеме;
• на испарителе.

Первый вариант является наименее затратным в плане капитальных вложений. Трубопровод просто погружается на дно близлежащего водоема и фиксируется от всплытия. Второй применяют при отсутствии в непосредственной близости водоемов. Бурят 2 скважины: расходную и приемную. Из первой вода перекачивается во вторую через теплообменник.

Установки «воздух-вода»

Воздушный теплообменник устанавливается просто рядом с домом или на крыше. Через него прокачивается наружный воздух. Такие системы менее эффективны, но дешевы. Улучшить характеристики помогает установка в подветренных местах.

Самостоятельная сборка системы

При большом желании можно попробовать установить тепловой насос своими руками. Приобретается мощный фреоновый компрессор, бухта медных труб, теплообменники и другие расходные материалы. Но тонкостей в этой работе много. Состоят они не столько в выполнении монтажных работ, сколько в правильном расчете, настройке и балансировке системы.

Достаточно неудачно подобрать фреоновую магистраль, чтобы попавшая в компрессор жидкость мгновенно вывела его из строя. Сложности также могут возникнуть с реализацией автоматического регулирования производительности системы.

Теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению.

Весьма показательным ориентиром для оценки возможности применения теплонасосных установок в России является зарубежный опыт. Он различен в разных странах и зависит от климатических и географических особенностей, уровня развития экономики, топливно-энергетического баланса, соотношения цен на основные виды топлива и электроэнергии, традиционно используемых систем тепло энергоснабжения и др. При сходных условиях с учетом состояния экономики России зарубежный опыт следует рассматривать как реальный путь развития в перспективе.

Особенность теплоснабжения в России в отличие от большинства стран мира - широкое распространение систем централизованного теплоснабжения в крупных городах.

Хотя за последние несколько десятков лет во всем мире резко возросло производство тепловых насосов, но в нашей стране ТНУ до настоящего времени не нашли широкого применения. Причин здесь несколько:

Традиционная ориентация на централизованное теплоснабжение;

Неблагоприятное соотношение между стоимостью электроэнергии и топлива;

Изготовление ТН осуществляется, как правило, на базе наиболее близких по параметрам холодильных машин, что не всегда приводит к оптимальным характеристикам ТН;

В недалеком прошлом существовал очень долгий путь от проектирования ТН к его сдаче в эксплуатацию.

В нашей стране вопросами проектирования ТН начали заниматься с 1926 г. /27/. В промышленности с 1976 г. работали ТН на чайной фабрике (г. Самтредиа, Грузия) /13/, на Подольском химико-металлургическом заводе (ПХМЗ) с 1987 г. /24/, на Сагареджойском молочном комбинате, (Грузия), в подмосковном молочно-животноводческом совхозе “Горки-2” с 1963 г.

Кроме промышленности ТН применяются в торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в жилом доме (пос. Букурия, Молдова), в пансионате “Дружба” (г. Ялта), климатологической больнице (г. Гагра), курортном зале Пицунды.

Еще в семидесятые годы эффективная утилизация тепла при помощи теплонасосной установки была осуществлена на Паужетской геотермальной станции па Камчатке. Удачно использовали ТНУ экспериментальную систему геотермального обеспечения теплом жилой зоны и Средне-Парутинского тепличного хозяйства на Камчатке. В этих случаях в качестве низкопотенциальных источников энергии использовались геотермальные источники /12/.

Применение и особенно производство тепловых насосов в нашей стране 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". Так же морская вода в качестве источника низкотемпературной теплоты 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 до 1992 г. в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих тепловых насосов оценивается в 40 МВт /16, 17/.

В этот период был разработан целый ряд принципиально новых тепловых насосов - абсорбционных, компрессионно-резорбционных, компрессионных, работающих на бутане и воде в качестве рабочего вещества и др.

В дальнейшем был спад спроса на тепловые насосы. Многие освоенные машины и новые разработки оказались невостребованными.

Однако в последние годы картина стала меняться. Возникли реальные экономические стимулы для энергосбережения. Это связано с ростом цен на энергоносители, а также с изменениями в соотношениях тарифов на электроэнергию и различные виды топлива. Во многих случаях на первый план выступают требования экологической чистоты систем теплоснабжения. В частности, это относится к элитным индивидуальным домам. Появились новые специализированные фирмы в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах, проектирующие теплонасосные установки и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введен в эксплуатацию парк тепловых насосов общей тепловой мощностью около 50 МВт.

При реальной рыночной экономике в России тепловые насосы имеют перспективу дальнейшего расширения применения, а производство тепловых насосов может стать соизмеримым с производством холодильных машин соответствующих классов. Эта перспектива может быть оценена при рассмотрении условий тепло-энергоснабжения в основных областях применения теплонасосных установок: жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курортно-оздоровительных и спортивных комплексах, в сельскохозяйственном производстве.

В жилищно-коммунальном секторе теплонасосные установки находят наибольшее применение в мировой и российской практике преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Основные направления:

Автономное теплоснабжение от теплонасосных установок;

Использование теплонасосных установок уже с существующими системами централизованного теплоснабжения.

Для автономного теплоснабжения отдельных зданий, городских районов, населенных пунктов используются преимущественно парокомпрессионные тепловые насосы тепловой мощностью 10 - 30 кВт в единице оборудования отдельного здания и до 5 МВт районов и населенных пунктов.

Сейчас реализуется программа "Развитие нетрадиционной энергетики России". Она включает раздел по развитию теплонасосных установок. Прогноз развития основывается на оценках производителей тепловых насосов, а также их пользователей в регионах страны, потребности разной мощности и возможностей их производства. Большинство из примерно 30 крупных проектов предусматриваются использование теплонасосных установок для жилищно-коммунального сектора, в том числе в системе централизованного теплоснабжения.

Ряд работ выполняется в рамках региональных программ энергосбережения и замены традиционных систем теплоснабжения теплонасосными установками: Новосибирская обл., Нижегородская обл., Норильск, Нерюнгри, Якутия, Дивногорск, Красноярский край. Среднегодовой ввод тепловых мощностей составит около 100 МВт.

При этих условиях выработка теплоты всеми работающими тепловыми насосами в 2005 г. составила 2,2 млн Гкал, а замещение органического топлива - 160 тыс. т условного топлива, суммарная тепловая мощность годового выпуска 300 МВт. Таким образом, в России намечается прорыв в распространении теплонасосных установок.

Что касается тепловых насосов большой тепловой мощности от 500 кВт до 40 МВт, то после 2005 г. ежегодный ввод тепловых мощностей в среднем 280 МВт, а после 2010 г. - до 800 МВт. Это связано с тем, что в данный период планируется широкое применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения.

В сельскохозяйственном производстве основные области применения тепловых насосов - первичная обработка молока и теплоснабжение стойловых помещений.

На молочных фермах значительная доля энергозатрат до 50 % приходится на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и нагрева воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в тепле и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов. С вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве низкопотенциального источника для малых тепловых насосов. На животноводческих фермах теплонасосная установка обеспечивает одновременное кондиционирование воздуха в стойловых помещениях и теплоснабжение производственных помещений.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе теплонасосных установок в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные котельные, работающие на газе.

В настоящее время действует значительное число таких установок. А в перспективе потребность в них будет быстро возрастать.

Экономия, замещение, органического топлива с помощью тепловых насосов происходит за счет полезного вовлечения выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭЦ. Это достигается двумя способами:

Прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса;

Использованием в качестве источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается до 20 - 25 °С.

Первый способ реализуется, когда тепловой насос размещен вблизи ТЭЦ, второй - когда он используется вблизи потребителей теплоты. В обоих случаях температурный уровень источника низкопотенциальной теплоты достаточно высок, что создает предпосылки для работы теплового насоса с высоким коэффициентом преобразования.

Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства, обеспечивая:

Прирост тепловой мощности на величину утилизируемой теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды;

Снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных трубопроводах;

Возрастание отопительной нагрузки на 15 - 20 % при том же расходе первичной сетевой воды и снижение дефицита в сетевой воде на ЦТП в удаленных от ТЭЦ микрорайонах;

Появление резервного источника для покрытия пиковых тепловых нагрузок.

Для работы в системе централизованного теплоснабжения требуются крупные тепловые насосы теплопроизводительностью от нескольких мегаватт для установки на тепловых пунктах и до нескольких десятков Мегаватт для использования на ТЭЦ.

На промышленных предприятиях теплонасосные установки применяют для утилизации теплоты водооборотных систем теплоты вентиляционных выбросов и теплоты сбросных вод.

С помощью ТНУ можно передать большую часть сбросной теплоты в теплосеть около 50 - 60 %. При этом:

На производство этой теплоты не надо затрачивать дополнительное топливо;

Улучшилась бы экологическая ситуация;

За счет понижения температуры циркуляционной воды в конденсаторе турбин существенно улучшится вакуум и повысится электрическая выработка с турбин;

Сократятся потери циркуляционной воды и затраты на ее перекачку.

До недавнего времени считалось, что применение теплонасосных установок на предприятиях, снабжаемых теплотой от ТЭЦ, заведомо неэкономично. Сейчас эти оценки пересматриваются. Во-первых, учитывают возможность использования рассмотренных выше технологий в жилищно-коммунальном секторе при централизованном теплоснабжении. Во-вторых, реальные соотношения цен на электроэнергию, теплоту ТЭЦ и топливо вынуждают некоторые предприятия переходить на собственные генераторы теплоты и даже электроэнергии. При таком подходе применение теплонасосных установок наиболее эффективно. Особенно большую экономию топлива дают "мини-ТЭЦ", базирующиеся на дизельгенераторе, работающем на природном газе, осуществляющем одновременно привод компрессора теплового насоса. Тепловая установка при этом обеспечивает отопление и горячее водоснабжение предприятия.

Перспективно для предприятий и применение теплонасосной установки в сочетании с использованием теплоты вентиляционных выбросов. Воздушное отопление характерно для многих промышленных предприятий. Установки утилизации теплоты вентиляционных выбросов позволяют предварительно нагреть поступающий в цех наружный воздух до 8 0 С. Температура сетевой воды, нагреваемой в теплонасосной установке, требуемая для нагрева отопительного воздуха, не превышает 70 0 С. При этих условиях теплонасосная установка может работать при достаточно высоком коэффициенте преобразования.

Многие промышленные предприятия нуждаются одновременно и в искусственном холоде. Так, на заводах искусственного волокна в основных производственных цехах используют технологическое кондиционирование воздуха для поддержания температуры и влажности. Комбинированные теплонасосные системы тепловой насос - холодильная машина, одновременно вырабатывающие теплоту и холод, наиболее экономичны.

В настоящее время в России ТНУ изготавливаются по индивидуальным заказам различными фирмами. Так, например, в Нижнем Новгороде фирмой “Тритон” выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до 2000 кВт с мощностью компрессоров от 3 до 620 кВт. Рабочим веществом служит R-142; m ≈ 3; стоимость ТН от 5000 до 300000 долл. США. Срок окупаемости 2 - 3 года.

До сегодняшнего дня ЗАО «Энергия» остается практически единственным в нашей стране серийным производителем парокомпрессионных тепловых насосов. В настоящее время фирма осваивает выпуск абсорбционных теплонасосных установок, а также турбокомпрессорных тепловых насосов большой единичной мощности свыше 3 МВт.

Фирма «Энергия» изготовила и запустила около 100 теплонасосных установок различной мощности на всей территории бывшего СССР. Первые агрегаты были установлены на Камчатке.

На рис. 8.1. Некоторые из объектов, где работают тепловые насосы ЗАО "Энергия".

ЗАО “Энергия” производит тепловые насосы от теплопроизводительности 300 до 2500 кВт с гарантией работы от 35 до 45 тыс. часов. Цена теплового насоса устанавливается из расчета 160 - 180 у.е. за 1 кВт теплопроизводительности (Q в).

С момента своего основания ЗАО «Энергия» ввела в действие теплонасосные установки различной мощности на территории СНГ и ближнего зарубежья. Всего ЗАО «ЭНЕРГИЯ» с 1990 по 2004 год внедрило 125 тепловых насосов различной мощности на 63-х объектах России и ближнего Зарубежья.

Рис. 8.1. Тепловые насосы ЗАО "Энергия" установленные:

Теплонасосная установка в СШ №1, г. Карасук Новосибирской области и тепловой насос НТ - 1000 на ТЭЦ в п. Речкуновка, г. Новосибирск

Ниже приводится краткая аннотация наиболее крупного объекта, представленного ЗАО "Энергия" г. Новосибирск табл. 8.1..

Таблица 8.1. Некоторые объекты, где работают тепловые насосы ЗАО «Энергия»

Наименование объекта	Источник тепла	Общая мощность, кВт	Тип тепловых насосов	Год пуска
г. Тюмень, Велижанский водозабор, отопление поселка	Питьевая вода 7-9 °С		2 насоса НТ-3000
г. Карасук, Новосибирская область, отопление средней школы №1	Грунтовая вода 24 °С		2 насоса НКТ-300
г. Горноалтайск, ЦСУ, отопление здания	Грунтовая вода 7 - 9 °С		1 насос НКТ-300
П/хоз. «Мирный», Алтайский край, отопление поселка	Грунтовая вода 23 °С		3 насоса НКТ-300
Литва, г.Каунас, завод искусственного волокна, отопление цехов завода.	Технологические cбросы – вода 20 °С		2 насоса НТ-3000	1995 1996
г. Москва, «Интерстройпласт» («Народные окна»), охлаждение воды на экструдеры	Технологическая вода 16 °С		1 насос НТ-500
Казахстан, г. Усть-Каменогорск, АО «Каз цинк», подогрев питательной воды перед химводоочисткой с 8 до 40 °С	Оборотная технологи-ческая вода (замена градирни)		1 насос НТ-3000
г. Красноярск, МНЦ, отопление Института экологии	Енисей – вода зимой около 2 °С		1 насос НТ-500
г. Елизово, Камчатская область, водозабор, отопление здания	Питьевая вода 2 - 9 °С		1 насос НКТ-300

В Нижегородской области разработкой и производством ТН с

1996 г. занимается ЗАО «Научно-производственная фирма Тритон Лтд». За прошедший период запроектированы и установлены ТН различной мощности:

ТН-24, Q = 24 кВт, отопление жилого F = 200 м 2 . НИТ - грунтовые воды. Установлен в селе Большие Орлы Борского р-на Нижегородской области 1998 г.

ТН-45, Q = 45 кВт, отопление комплекса административных зданий, складов и гаража, F > 1200 м 2 , НИТ - грунтовые воды. Установлен в Московском р-не, г. Нижний Новгород 1997 г. Владелец - ТОО «Символ».

ТН-600, Q = 600 кВт, отопление, ГВС гостиничного комплекса и трёх коттеджей, F > 7000 м 2 , НИТ - грунтовые воды. Установлен в Автозаводском р-не, Нижний Новгород 1996 г. Владелец – ГАЗ.

ТН-139, Q = 139 кВт, отопление, ГВС производственного здания F > 960 м 2 , НИТ - грунтовые. Установлен в Канавинском р-не, Нижний Новгород 1999г. Владелец – ГЖД.

ТН-119, Q = 119 кВт, отопление, ГВС профилактория F > 770 м 2 , НИТ - грунтовые воды. Установлен в Борский р-н, Нижегородская область 1999г. Владелец – Центрэнергострой.

ТН-300, Q = 300 кВт, отопление, ГВС школы F > 3000 м 2 , НИТ - грунтовые воды. Введен в эксплуатацию в Автозаводский р-н, Нижний Новгород 1999 г. Владелец - департамент образования администрации района.

ТН-360, Q = 360 кВт, отопление, ГВС базы отдыха F > 4000 м 2 , НИТ - грунтовые воды. Введен в эксплуатацию в Дальнеконстантиновский р-н, Нижегородская область 1999 г. Владелец - «Гидромаш».

ТН-3500, Q = 3500 кВт, отопление, ГВС, вентиляция административно-бытового здания нового депо F > 15000 м 2 , НИТ - обратная вода, системы теплоснабжения Сормовской ТЭЦ. Канавинский р-н, Нижний Новгород 2000 г. Владелец - ГЖД.

Два ТН Q = 360 и 200 кВт, для Пензенской области, 2 Гкал - для Туапсе.

С участием специалистов Института высоких температур РАН (ИВТ РАН) разработан и создан ряд опытно-демонстрационных установок и систем, использующих тепловые насосы для теплоснабжения различных объектов /48/.

В Подмосковье дер. Грибаново на территории полигона НПО «Астрофизика» в 2001 г. введена в опытную эксплуатацию солнечно-теплонасосная система теплоснабжения лабораторного здания. В качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса использован вертикальный грунтовый теплообменник общей длиной около 30 м (технология ОАО «Инсолар-Инвест»). Отопительные приборы - фанкойлы и напольный нагреватель. Солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение, избытки солнечного тепла в летнее время закачиваются в грунт для ускоренного восстановления его температурного режима.

В 2004 году ОАО «Инсолар-Инвест» введена в эксплуатацию экспериментальная автоматизированная теплонасосная установка (АТНУ), предназначенная для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции г. Зеленограда табл. 8.2.

В качестве низкопотенциального источника теплоты используются неочищенные бытовые сточные воды, аккумулируемые в приемном резервуаре главной канализационно - насосной станции (ГКНС). АТНУ предназначена для отработки технологии утилизации теплоты неочищенных сточных вод, определения влияния работы установки на режимные параметры тепловой станции, проверки экономической эффективности и разработки рекомендаций по созданию аналогичных установок в городском хозяйстве Москвы.

Таблица 8.2. Основные проектные и эксплуатационные параметры АТНУ

АТНУ включает пять основных частей:

Теплонасосный тепловой узел (ТТУ);

Трубопроводы системы сбора низкопотенциального тепла (ССНТ);

Теплообменник утилизатор;

Трубопроводы напорной канализации;

Группу подающих фекальных насосов в ГКНС.

Неочищенные сточные воды, имеющие температуру 20 0 С, из приемного резервуара, фекальными насосами фирмы «Flygt» подаются в теплообменник-утилизатор, где отдают теплоту промежуточному теплоносителю (воде), охлаждаясь до температуры 15,4 0 С, а затем возвращаются в резервуар. Суммарный расход сточных вод - 400 м 3 /ч.

Контур циркуляции неочищенных сточных вод спроектирован с учетом практики эксплуатации напорных трубопроводов систем канализации. Скорость потока в каналах теплообменника-утилизатора обеспечивает отсутствие образования отложений на теплообменных поверхностях.

Нагретый в теплообменнике-утилизаторе до температуры 13 0 С промежуточный теплоноситель подается в тепловые насосы, где охлаждается до температуры 8 0 С, отдавая теплоту хладону парокомпрессионного контура, и вновь направляется в теплообменник-утилизатор.

Применение тепловых насосов в кольцевом контуре в России.

В основном рассматриваются примеры применения одиночных теплонасосных установок. Эти установки включают в себя один или несколько ТН, работающих независимо друг от друга и выполняющих определенную функцию теплоснабжения. Существует комплексная кольцевая теплонасосная система, которая позволяет достигать максимальной эффективности и экономии. В кольцевой системе установлены несколько ТН, которые используются для производства, как тепла, так и холода в зависимости от потребностей различных частей здания. Информации о подобных системах крайне мало.

Некоторое время назад, компанией, поставляющей тепловые насосы в России, был реализован проект модернизации системы отопления и кондиционирования в одном из московских гостинично - развлекательных центров /54/. Рассмотрим, как работает эта система рис. 8.2.

Водяной контур состоит из водяного насоса, и низкотемпературного бака - накопителя, за счет объема которого увеличивается накопление тепла и стабилизируется температура воды в контуре. Все ТН подключены к этому контуру.

Стрелки показывают направление движения тепла. За циркуляционным насосом устанавливаются тепловые насосы типа "вода - вода", которые нагревают воду в бассейнах комплекса. Бассейнов может быть несколько, разных объёмов и с разной температурой воды. Для каждого из бассейнов устанавливается ТН.

ТН "вода - воздух", охлаждающий воздух в кухонных помещениях, которые обслуживают рестораны, бары, кафе, столовую для персонала. В этих помещениях всегда большое тепловыделение и ТН охлаждает воздух в них, забирая тепло в общий водяной контур.

Рис. 8.2. Пример кольцевого теплового насоса.

ТН "вода - вода" служит для утилизации излишков тепла через систему горячего водоснабжения (ГВС). Тепло забирается из воды контура административных и офисных помещений. Для кондиционирования воздуха в каждом из этих помещений установлен свой реверсивный ТН для тепла или холода. В теплое время года все эти насосы будут охлаждать воздух, а в холодное - нагревать.

Все эти ТН объединены в одно кольцо с ТН в других частях здания с их потребностями в тепле и его излишками (технические и функциональные помещения, кафе, ресторан, зимний сад, холодильные помещения) и между ними происходит обмен теплом.

Для нормальной работы ТН температура воды в контуре должна быть в пределах от 18 0 С до 35 0 С. Если количество ТН, работающих в режиме нагрева, равно количеству ТН, работающих в режиме охлаждения, то система не требует поступления тепла извне или удаления его наружу. Кольцевая система функционирует наиболее эффективно при температуре наружного воздуха от - 4 0 С до +14 0 С. Энергозатраты на работу всего кольцевого контура заключаются только в затратах на работу циркуляционного насоса и индивидуальных тепловых насосов в помещениях. Отпадает необходимость в дорогих источниках тепловой энергии, газовых или электрообогревателях или ее получении извне.

При более низких температурах наружного воздуха и нехватке тепла в водяном контуре, температура в нем может опуститься ниже 18 0 С. Тогда для подогрева водяного контура до требуемого параметра можно использовать внешние источники теплоцентраль города, бойлер или геотермальный тепловой насос, перекачивающий тепло из грунтовых вод или из расположенного поблизости водоема. Таких источников, как грунтовые воды или река, имеющих температуру от 4 0 С, будет достаточно, чтобы нагревать воду в контуре до уровня 18 0 С и, таким образом, для нормальной работы всех ТН здания.

К сожалению, в России такой подход пока что сдерживается большими затратами на стадии проектировки и отсутствием экономических мер стимулирования энергосберегающих и экологически чистых решений. В кольцевых теплонасосных системах могут использоваться и другие источники низкопотенциального тепла. На многих объектах: большие прачечные, предприятия, использующие воду в технологических процессах, имеется значительный поток сточных вод достаточно высокой температуры. В этом случае имеет смысл, включения в кольцевую систему теплового насоса, утилизирующего это тепло.

В состав водяного контура входит также низкотемпературный бак - накопитель. Чем больше объем этого бака, тем больше тепла, которое при необходимости может быть использовано, способна аккумулировать система. Кольцевая система может полностью взять на себя функцию отопления - моновалентная система. Однако можно использовать тепловые насосы одновременно с традиционной системой отопления - бивалентная система. При наличии на объекте достаточного количества источников тепла, подключенных к кольцу, и при небольших потребностях в ГВС, кольцевая система может полностью удовлетворить эти потребности.

Кольцевая теплонасосная система может использоваться исключительно в целях кондиционирования воздуха в помещениях, где существует только такая необходимость. Но кольцевые системы кондиционирования особенно эффективны в зданиях, где есть множество помещений, различных по своему назначению, в которых требуется разная температура воздуха. ТН в качестве кондиционера работает эффективнее многих других известных устройств кондиционирования.

Основа высокой эффективности тепловых насосов заключается именно в том, что энергия, затраченная внутри здания на получение тепла, не сбрасывается "в трубу", а используется внутри здания там, где в этом есть потребность. Тепло аккумулируется и эффективно передается внутри кольцевой системы.

Второй важный фактор экономической эффективности - возможность использования низкопотенциальных "дармовых" источников тепла - артезианских скважин, водоемов, канализации. С помощью компрессоров, используя источник с температурой от 4 °С, получим горячую воду 50 – 60 0 С, затрачивая 1 кВт электроэнергии на получение 3 - 4 кВт тепловой энергии. Если при использовании обычной системы парового отопления, КПД составляет всего 30 - 40%, то с тепловыми насосами КПД возрастает в несколько раз.

В частности, в описываемом гостинично - развлекательном центре были достигнуты следующие результаты.

Снижены капитальные затраты на закупку и монтаж оборудования на 13 - 15% по сравнению с системой чиллер – фэнкойл. Упрощена система инженерных коммуникаций по сравнению с системой центрального кондиционирования. В помещениях создан комфортный микроклимат: соответствие давления, влажности и температуры воздуха гигиеническим требованиям. Суммарные затраты на отопление и горячее водоснабжение снижены более чем на 50% по сравнению с центральным отоплением.

Кольцевая теплонасосная система не требует сложных и дорогостоящих устройств управления и контроля для оптимизации своей работы. Достаточно с помощью нескольких термореле, термостатов удерживать температуру в водяном контуре в заданных пределах. Для дополнительного удобства и визуального контроля можно использовать и дорогостоящую автоматику.

При заданном диапазоне температур в водяном контуре кольцевой системы 18 - 35 0 С на трубах не образуется конденсат и нет сколько ни будь заметных потерь тепла. Это немаловажный фактор при значительной разветвленности системы (раздача, стояки, подводки, которых в зданиях со сложной архитектурой может быть достаточно много).

При использовании ТН в системе вентиляции помещений может быть сокращено количество и общая длина воздуховодов по сравнению с центральными установками кондиционирования воздуха. Теплонасосные установки размещаются непосредственно в кондиционируемых помещениях или в соседних с ними, то есть воздух кондиционируется прямо на месте. Это позволяет избежать транспортировки готового воздуха по протяженным воздуховодам.

В России первая такая система на базе TH была установлена в 1990 году в гостинице "Ирис Конгресс Отель". Это кольцевая бивалентная система кондиционирования воздуха американской компании ClimateMaster. Для отопления в гостинице используется теплокухни, прачечной, технических помещений, агрегатов холодильных и морозильных камер, происходит обмен теплом при кондиционировании гостиничных номеров, конференц - залов, фитнес - центра, ресторанов, административных помещений. 15 лет эксплуатации системы показали надежность оборудования и целесообразность ее применения в условиях нашего климата.

При проектировании системы ТН для объекта необходимо, прежде всего, изучить все возможные низкопотенциальные источники тепла и все возможные потребители высокопотенциального тепла на этом объекте, оценить все теплопритоки и все теплопотери. Следует выбрать те источники для утилизации, где тепло выделяется достаточно равномерно и в течение продолжительного времени. Аккуратные и точные расчеты обеспечат стабильную и рентабельную работу ТН. Общая мощность утилизирующих ТН не должна быть бесполезно избыточной. Система должна быть сбалансирована, но это вовсе не означает, что общие мощности источников и потребителей тепла должны быть близки, они могут разниться, может также значительно изменяться их соотношение при изменении условий работы системы. Гибкость системы позволяет выбрать при проектировании ее оптимальный вариант и заложить возможность ее дальнейшего расширения. Необходимо также учитывать особенности климатических условий региона. Климатические условия - ключ к выбору эффективной климатической системы.

В южных широтах, основная задача - охлаждение воздуха и выброс наружу тепла, утилизация которого для обогрева бессмысленна. Здесь вполне подойдет традиционные системы чиллер - фэнкойлы или подобные. В северных широтах требуется слишком большое количество энергии для отопления объекта, много высокопотенциального тепла, которое придется подводить к системе. Поэтому необходима будет установка бивалентной системы, ТН в сочетании с системой отопления. В умеренном климате средних широт целесообразно использовать моновалентную кольцевую систему, где ее эффективность максимальна.

На сегодняшний день распространено мнение, что ТН - это слишком дорогое удовольствие. Велики затраты на установку и монтаж оборудования, а при существующих в России ценах на тепло сроки окупаемости слишком продолжительны. Однако практика показывает, что установка систем тепловых насосов на крупных и средних объектах позволяет экономить 10 - 15% на капитальных вложениях, не говоря уже об эксплуатационных затратах. К тому же кольцевые системы максимально снижают потребление энергоресурсов, цены на которые возрастают все быстрее.

Согласно расчетам Research.Techart, в 2009 года в России было установлено 5,3 МВт тепловых насосов. Динамика российского рынка геотермальных насосов, по прогнозам Research.Techart, в среднесрочной перспективе будет невысокой, что связано с кризисными явлениями в экономике. Однако, в некоторых регионах рынок может развиваться весьма активно.

Тенденция к увеличению спроса со стороны инфраструктурного и жилищного секторов сохранится, а основной объем продаж будут составлять ПТН тепловой мощностью 15 - 38кВт. Структура потребления относительно типов ПТН не изменится. Прогнозируется увеличение доли внутренней продукции в общем объеме рынка.

В долгосрочной перспективе ведущим фактором развития рынка станет реализация государственной энергетической стратегии. После 2016 года прогнозируется активный рост рынка. В области технических характеристик ожидается переход на ПТН с углеродными хладагентами. При этом будет увеличиваться потребление как мало- и среднемощных, так и высокомощных ПТН, что обусловлено перспективами использования систем утилизации тепла сточных вод. На фоне увеличивающегося спроса начнется активное развитие внутренней производственной базы - число российских производителей возрастет и они займут лидирующие позиции на рынке.

К 2020 году объем рынка ПТН может достичь 8000 - 11000 шт., 460 - 500 МВт. Прогноз объема рынка ПТН на 2030 год - момент окончания реализации текущей Энергетической стратегии России - 11000 - 15000 шт., 500 - 700 МВт.

За последний год тепловые насосы заняли свою нишу на российском климатическом рынке в числе других популярных технологий. Обсуждение достоинств и недостатков теплонасосных установок (ТНУ) проходило как на страницах отраслевой прессы, так и на тематических конференциях и круглых столах. О тепловых насосах в последнее время появилось много информации - как в русскоязычном Интернет, так и в специализированных СМИ. Тем не менее, по-прежнему крайне мало публикаций об интегрированных теплонасосных системах. Цель данной статьи - несколько восполнить этот пробел, обобщить некоторые из вопросов, возникающих у специалистов при первом знакомстве с кольцевыми теплонаносными системами, и коротко ответить на них.

Итак, про тепловые насосы известно, что это климатическое оборудование, способное утилизировать тепло окружающей среды, с помощью компрессора поднимать температуру теплоносителя до нужного уровня и передавать это тепло туда, где оно необходимо.

Извлечь из окружающей среды тепло можно почти всегда. Ведь "холодная вода" - понятие субъективное, основанное на наших ощущениях. Даже самая холодная речная вода содержит некоторое количество теплоты. Но известно, что тепло переходит только от более нагретого тела к более холодному. Тепло можно принудительно направить от холодного тела к теплому, тогда холодное тело еще больше остынет, а теплое нагреется. Используя тепловой насос, который "выкачивает" тепло из воздуха, речной воды или земли, еще более понижая их температуру, можно обогреть здание. В классическом случае считается, что, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии, ТНУ может произвести от 3 до 6 кВт тепловой энергии. На практике это означает, что мощностью двух-трех бытовых лампочек в зимний период можно обогреть жилую комнату средних размеров. Летом, работая в обратном режиме, тепловой насос может охлаждать воздух в помещениях здания. Тепло из здания будет удаляться, поглощаясь атмосферой, рекой или землей.

В настоящее время имеется огромное разнообразие теплонасосных установок, что позволяет широко применять их в промышленности, сельском хозяйстве, в ЖКХ. В качестве примера применения ТНУ, в конце статьи мы рассмотрим два проекта - один из них проект масштабной кольцевой системы, внедренной в Краснодарском крае, второй — объект малого строительства в Подмосковье.

Какие тепловые насосы бывают?

Тепловые насосы бывают разной тепловой мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Они могут работать с различными источниками тепла, находящимися в разных агрегатных состояниях. В связи с этим, их можно разделить на следующие типы: вода-вода, вода-воздух, воздух-вода, воздух-воздух. Выпускаются ТНУ, предназначенные для работы с источниками низкопотенциального тепла самых разных температур, вплоть до отрицательной. Они могут использоваться в качестве приемника высокопотенциального тепла, требующего различной температуры, даже выше 1000С. В зависимости от этого тепловые насосы можно разделить на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

Тепловые насосы различаются также по техническому устройству. В этом плане можно выделить два направления: парокомпрессионные и абсорбционные ТНУ. Тепловые насосы для своей работы могут использовать и другие виды энергии, кроме электрической, например, они могут работать на различных видах топлива.

Различные комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла дают большое разнообразие типов тепловых насосов. Вот некоторые примеры:

• ТНУ, использующий тепло грунтовых вод для отопления;
• ТНУ, использующий тепло естественного водоема для горячего водоснабжения;
• ТНУ-кондиционер воздуха, использующий морскую воду в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ-кондиционер воздуха, использующий наружный воздух в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ для нагрева воды плавательного бассейна, использующий тепло наружного воздуха;
• ТНУ, утилизирующий тепло сточных вод в системе теплоснабжения;
• ТНУ, утилизирующий тепло инженерно-технического оборудования в системе теплоснабжения;
• ТНУ для охлаждения молока и одновременно нагрева воды для горячего водоснабжения на молочных фермах;
• ТНУ для утилизации тепла от технологических процессов в первичном подогреве приточного воздуха.

Большое разнообразие теплонасосной техники выпускается серийно, но тепловые насосы могут изготавливаться и по специальным проектам. Имеются экспериментальные установки, опытно-промышленные образцы, а также много теоретических разработок.

В случае, если на объекте предусматривается применение нескольких тепловых насосов, которые будут предназначены для производства как тепла, так и холода, эффективность их работы многократно возрастет, если они будут объединены в единую систему. Это так называемые кольцевые теплонасосные системы (КТНС). Такие системы целесообразно использовать на средних и крупных объектах.

Кольцевые системы кондиционирования воздуха

Основу этих систем составляют ТНУ типа вода-воздух, выполняющие функции кондиционирования воздуха в помещениях. В помещении, где предусматривается кондиционирование воздуха (или рядом с ним) устанавливается тепловой насос, мощность которого подбирается в соответствии с параметрами помещения, его назначением, характеристиками необходимой приточно-вытяжной вентиляции, возможным количеством присутствующих людей, установленным в нем оборудованием и другими критериями. Все ТНУ реверсивные, то есть предназначены и для охлаждения, и для нагрева воздуха. Все они связаны общим водяным контуром - трубами, в которых циркулирует вода. Вода является одновременно и источником, и приемником тепла для всех ТНУ. Температура в контуре может изменяться в пределах от 18 до 320С. Между тепловыми насосами, которые нагревают воздух, и теми, которые охлаждают его, происходит обмен теплом посредством водяного контура. В зависимости от особенностей помещений, а также от времени года и времени суток - в разных помещениях может требоваться либо нагрев, либо охлаждение воздуха. При одновременной работе в одном здании ТНУ, производящих тепло и холод, происходит перенос тепла из помещений, где его избыток, в помещения, где его не хватает. Таким образом, происходит обмен теплом между зонами, объединенными в единое кольцо.

Помимо ТНУ, выполняющих функцию кондиционирования воздуха, в состав КТНС могут входить и ТНУ другого назначения. Если на объекте имеются достаточные потребности в тепле, через кольцевую систему при помощи ТНУ можно эффективно утилизировать бросовое тепло. Например, при наличии интенсивного потока сточных вод имеет смысл установить ТНУ вода-вода, который позволит утилизировать тепло сбросов посредством КТНС. Такой тепловой насос сможет извлекать тепло из сточных вод, передавать его с помощью кольцевого контура, а затем использовать для обогрева помещений.

Воздух, удаляемый из здания вытяжной вентиляцией, также содержит большое количество тепла. При отсутствии в вытяжном воздухе большого количества примесей, затрудняющих работу ТНУ, можно утилизировать тепло удаляемого воздуха, установив ТНУ воздух-вода. Через КТНС это тепло может быть использовано всеми потребителями в здании, чего трудно добиться, применяя традиционные регенераторы и рекуператоры. Кроме того, процесс утилизации в данном случае может происходить эффективнее, так как не зависит от температуры наружного воздуха, забираемого приточной вентиляцией, и от устанавливаемой температуры нагрева воздуха, нагнетаемого в помещения.

Кроме того, при работе реверсивных тепловых насосов и на сточных водах и в вытяжной вентиляции, их можно использовать для удаления излишков тепла из водяного контура в теплое время года, и тем самым снижать необходимую мощность градирни.

В теплое время года при помощи тепловых насосов излишки тепла в водяном контуре утилизируются через потребителей, имеющихся на объекте. Например, к кольцевой системе может быть подключен ТНУ вода-вода, передающий избыточное тепло в систему горячего водоснабжения (ГВС). На объекте с небольшими потребностями в горячей воде такого теплового насоса может быть достаточно для того, чтобы полностью их удовлетворить.

Если на объекте имеется один или несколько плавательных бассейнов, например, в оздоровительных учреждениях, в домах отдыха, в развлекательных комплексах и в гостиницах, нагрев воды бассейнов можно также реализовать при помощи ТНУ вода-вода, подключив его к КТНС.

Сочетание кольцевых систем с другими системами

Систему вентиляции в зданиях с использованием кольцевой теплонасосной системы необходимо разрабатывать с учетом особенности работы ТНУ, кондиционирующих воздух. Обязательной является рециркуляция воздуха в том объеме, который необходим для стабильной работы этих ТНУ, поддержания заданной температуры в помещении и эффективной утилизации тепла (исключением являются те случаи, где рециркуляция нежелательна, например, залы плавательных бассейнов, местные кухонные вытяжки). Существуют и некоторые другие особенности при разработке вентиляции с КТНС.

Однако, вместе с тем, кольцевая система предусматривает более простые системы вентиляции, чем при других способах кондиционирования. Тепловые насосы осуществляют кондиционирование воздуха непосредственно на месте, в самом помещении, что избавляет от необходимости транспортировки готового воздуха по протяженным теплоизолированным воздуховодам, как это происходит, допустим, при центральном кондиционировании.

Кольцевая система может полностью взять на себя функции отопления, но не исключается и совместное применение с системой отопления. В этом случае применяется менее мощная и более простая с технической точки зрения система отопления. Такая бивалентная система более пригодна в северных широтах, где необходимо больше тепла для отопления, и его придется подводить в большем количестве от высокопотенциального источника. Если в здании установлены отдельные системы кондиционирования и отопления, то эти системы, зачастую, буквально мешают друг другу, особенно в переходные периоды. Использование же кольцевой системы совместно с системой отопления не порождает подобных проблем, так как ее работа полностью зависит от фактического состояния микроклимата в каждой отдельной зоне.

На предприятиях кольцевые теплонасосные системы могут участвовать в нагреве или охлаждении воды или воздуха в технологических целях, причем эти процессы будут включены в баланс общего теплоснабжения предприятия.

Говоря о традиционных системах теплоснабжения, трудно согласиться с их ограниченной экономичностью. Тепло используется частично, быстро рассеивается в атмосферу (при работе отопления и вентиляции), удаляется со сточными водами (через ГВС, технологические процессы) и другими путями. Хорошо еще, если для обеспечения некоторой экономичности установлены теплообменники типа воздух-воздух в системе вентиляции, или типа вода-вода для утилизации тепла, например, холодильных агрегатов, или какие-то другие местные устройства вторичного использования тепла. КТНС же решает данную задачу комплексно, во многих случаях позволяя сделать утилизацию тепла более эффективной.

Автоматизированное управление кольцевыми системами

К разочарованию многих производителей дорогостоящих систем автоматизации, теплонасосные системы не требуют сложных средств автоматизированного управления. Все регулирование здесь сводится лишь к поддержанию определенного значения температуры воды в контуре. Чтобы не допустить охлаждения воды ниже заданного предела, необходимо вовремя включать дополнительный нагреватель. И наоборот, чтобы не превысить верхний предел, надо своевременно включать градирню. Автоматическое управление этим несложным процессом можно реализовать при помощи нескольких термостатов. Поскольку температура воды в контуре КТНС может изменяться в довольно широком диапазоне (обычно от 18 до 320С), то нет также необходимости в использовании точной регулирующей арматуры.

Что касается процесса поступления тепла от теплового насоса к потребителю, то он контролируется за счет автоматики, встроенной в каждый тепловой насос. Например, ТНУ для кондиционирования воздуха имеют датчик температуры (термостат), устанавливаемый непосредственно в помещении. Этого обычного термостата вполне достаточно для управления работой ТН.

Тепловой насос полностью обеспечивает необходимые температурные параметры воздуха в помещениях, что позволяет отказаться от регулирующих заслонок в системе вентиляции и регулирующей арматуры в системе отопления (при бивалентной системе). Все эти обстоятельства способствуют снижению стоимости и повышению надежности инженерных систем в целом.

На крупных объектах, где кольцевая система включает в себя большое количество тепловых насосов и где установлены разнотипные ТНУ (для кондиционирования, утилизации тепла и для обеспечения технологических процессов), часто имеет смысл реализовывать более сложную систему автоматизированного управления, которая позволяет оптимизировать работу всей системы.

На работу кольцевой теплонасосной системы влияют следующие факторы:

• во-первых, температура воды в контуре. От нее зависит коэффициент преобразования теплоты (СОР), то есть, отношение количества выдаваемого потребителю тепла к количеству потребляемой тепловым насосом энергии;
• во-вторых, температура наружного воздуха;
• в-третьих, параметры работы градирни. Для одного и того же количества удаленного тепла при разных условиях может быть затрачено разное количество энергии, потребляемой градирней. Это, в свою очередь, также зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, наличия ветра и прочих условий;
• в-четвертых, от количества работающих в данный момент в системе тепловых насосов. Здесь значение имеет суммарная мощность ТНУ, забирающих тепло из водяного контура, по сравнению с мощностью всех ТНУ, отдающих тепло в контур, то есть количество тепла, поступающего в контур или удаляемого из него.

Хорошо детям, хорошо бюджету

Перейдем к описанию проектов с использованием кольцевых теплонасосных систем.

Первый проект - это реконструкция обычной общеобразовательной школы на юге России. Летом прошлого года администрация Краснодарского края реализовала этот проект в г. Усть-Лабинск (городская школа №2). При реконструкции были выдержаны самые высокие стандарты в обеспечении санитарных требований и комфортного пребывания детей в школе. В частности, в здании была установлена полноценная климатическая система, обеспечивающая позонный контроль за температурой, притоком свежего воздуха и влажностью.

Инженерам при реализации данного проекта, во-первых, хотелось обеспечить должный уровень комфорта, индивидуальный контроль в каждом классе. Во-вторых, предполагалось, что кольцевая система позволит значительно снизить затраты на отопление школы и решить проблему низкой температуры воды в теплоцентрали на участке школы. Система состоит из более чем пятидесяти тепловых насосов производства фирмы Climatemaster (США) и градирни. Она получает дополнительное тепло от теплоцентрали города. Климатическая система находится под автоматизированным управлением и способна самостоятельно поддерживать наиболее комфортные для человека и одновременно экономичные режимы работы.

Эксплуатация описанной системы в зимние месяцы дала следующие результаты:

• до модернизации (до установки тепловых насосов), ежемесячные затраты на обогрев 2500 м2 составляли 18440 руб.;
• после модернизации здания отапливаемая площадь увеличилась до 3000 м2, а ежемесячные затраты на отопление снизились до 9800 руб.

Таким образом, использование тепловых насосов позволило более чем вдвое сократить затраты на отопление здания, отапливаемая площадь которого увеличилась почти на 20%.

Автономное тепло

Проблемы коттеджного строительства в Подмосковье сегодня связаны с тем, что инфраструктура (электрические сети, водопроводы), часто не позволяет расти новым поселкам. Существующие трансформаторные подстанции не справляются с возросшими нагрузками. Постоянные перебои с подачей электроэнергии (аварии на старых подстанциях, обрывы ветхих проводов) заставляют потребителей искать пути автономного энергоснабжения.

В описываемом проекте перед инженерами стояла задача обеспечить многокомнатный двухэтажный коттедж с мансардой теплом и электричеством. Общая отапливаемая площадь дома составила 200 м2. Из подведенных коммуникаций - артезианская вода и электричество.

Поскольку во главу угла было положено требование энергоэффективности, было решено установить солнечные батареи. Были закуплены и смонтированы прямо на участке за домом солнечные фотоэлектрические модули на 3,5 кВт. По расчетам инженеров, этого должно было хватить на подпитку аккумуляторных батарей, которые бы, в свою очередь, бесперебойно питали дом и систему отопления. Общая стоимость системы составила порядка 27?000 долларов США. Если учесть, что получен источник бесплатного электричества, и эта статья будет вычеркнута из семейного бюджета, то получается, что затраты на установку солнечной батареи окупятся менее, чем за 10 лет. А если учесть, что в другом случае пришлось бы строить подстанцию или жить с постоянными перебоями электроснабжения, то затраты уже можно считать окупившимися.

Для отопления было решено использовать геотермальную теплонасосную систему. Был закуплен американский тепловой насос типа "вода-вода". Данный тип тепловых насосов с помощью теплообменников производит горячую воду, которая может быть использована для горячего водоснабжения и отопления с помощью радиаторных батарей. Сам контур, поставляющий к тепловому насосу низкопотенциальное тепло, был проложен прямо на участке, прилегающем к коттеджу, на глубине 2 м. Контур представляет собой полиэтиленовую трубу, диаметром 32 мм и протяженностью 800 м. Установка теплового насоса с монтажом, поставкой оборудования и комплектующих обошлась в 10?000 долларов США.

Таким образом, затратив на организацию собственной автономной энергосистемы порядка 40?000 долларов США, хозяин коттеджа исключил затраты на теплоснабжение из своего бюджета, и обеспечил надежное автономное отопление.

Возможности применения кольцевых систем

Из вышеизложенного следует, что возможности применения кольцевой теплонасосной системы необычайно широки. Их можно использовать на самых разных объектах. Это административные, общественные здания, медицинские и оздоровительные учреждения, дома отдыха, развлекательные и спортивные комплексы, различные промышленные предприятия. Системы настолько гибкие, что их применение возможно в самых разных случаях и в очень большом количестве вариантов.

При разработке такой системы, прежде всего, нужно оценить потребности в тепле и холоде проектируемого объекта, изучить все возможные источники тепла внутри здания и все предполагаемые приемники тепла, определить теплопритоки и теплопотери. Наиболее пригодные из источников тепла могут быть использованы в кольцевой системе в том случае, если это тепло будет востребовано. Общая мощность утилизирующих тепловых насосов не должна быть бесполезно избыточной. При определенных условиях самым выгодным вариантом, возможно, будет установка ТНУ, использующих внешнюю среду в качестве источника и приемника тепла. Система должна быть сбалансирована по теплу, но это вовсе не означает, что общие мощности источников и потребителей тепла должны быть равны, они могут разниться, так как их соотношение может значительно изменяться при изменении условий работы системы.

Таким образом, кольцевая теплонасосная система выполняет функции и отопления, и кондиционирования воздуха, и эффективной утилизации тепла. Использование одной системы вместо нескольких всегда более выгодно с точки зрения капитальных и эксплутационных затрат.

Статья предоставлена компанией "АЭРОКЛИМАТ"