Теплонасосная установка. Технические характеристики работы насоса

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.

Основное отличие теплового насоса от всех остальных источников тепла заключается в его исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Порядка 80% от выдаваемой мощности тепловой насос фактически «выкачивает» из окружающей среды, используя рассеянную энергию Солнца.

Как работает тепловой насос

Холодильник, всем известно, переносит тепло из внутренней камеры на радиатор и мы пользуемся холодом внутри холодильника. Тепловой насос - это холодильник «наоборот». Он переносит рассеянное тепло из окружающей среды в наш дом.

Теплоноситель (в роли которого выступают вода или рассол), взявший несколько градусов из окружающей среды, проходит через теплообменник теплового насоса, называемый испарителем, и отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, который, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре 5°С. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник - конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

Преимущества теплового насоса

• - Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300% до 800%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-8 кВт тепловой энергии, или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе.
• - Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу. Тепловые насосы установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива.
• - Безопасность. Нет открытого пламени, нет сажи, нет выхлопа, нет запаха солярки, исключены утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для топлива.
• - Надежность. Минимум подвижных частей. Высокий ресурс работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15-25 лет.
• - Комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях.
• - Гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.
• - Универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой).
• - Широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч кВт).

Применение тепловых насосов

Область применения тепловых насосов поистине безгранична. Все вышеуказанные преимущества этого оборудования позволяют легко решать вопросы теплоснабжения городского комплекса и объектов, расположенных вдали от коммуникаций, - будь то фермерское хозяйство, коттеджный поселок или АЗС на трассе. В целом тепловой насос универсален и применим как в гражданском и промышленном, так и в частном строительстве.

На сегодняшний день тепловые насосы широко применяются во всем мире. Количество тепловых насосов, работающих в США, Японии и Европе, исчисляется десятками миллионов штук.

Производство тепловых насосов в каждой стране прежде всего ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. В США и Японии наибольшее применение получили теплонасосные установки (ТНУ) класса «воздух-воздух» для отопления и летнего кондиционирования воздуха. В Европе - ТНУ класса «вода-вода» и «вода-воздух». В США исследованиями и производством тепловых насосов занимаются более шестидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск ТНУ превышает 500 тысяч единиц. В Германии ежегодно вводится более 5 тысяч установок. В странах Скандинавии эксплуатируются в основном крупные ТНУ. В Швеции уже к 2000 году эксплуатировалось более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), 100 из которых имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС (320 МВт) работает в Стокгольме.

Популярность тепловых насосов в Западной Европе, США и странах Юго-Восточной Азии во многом обусловлена мягкими климатическими условиями в этих регионах (с плюсовой средней температурой зимой), высокими ценами на топливо и наличием целевых государственных программ поддержки этого направления климатического рынка.

Ситуация с тепловыми насосами в нашей стране принципиально иная, и на то есть свои причины. Во-первых, особенности российского климата с низкими температурами в зимнее время предъявляют особые требования к параметрам тепловых насосов и условиям их установки. В частности, при возрастании мощности теплового насоса встает проблема теплосъема, так как теплоотдача сред (водоем, грунт, воздух) ограничена и достаточно мала.

Кроме того, в России искусственно занижены цены на газ, поэтому об ощутимых экономических выгодах от использования такого рода оборудования говорить не приходится, особенно при отсутствии культуры потребления и экономии электроэнергии. У нас нет государственной поддержки программы энергозамещения, не было и нет отечественных производителей тепловых насосов.

Вместе с тем, потребности России в таком оборудовании огромны, и востребованной представляется вся «линейка» тепловых насосов мощностью 5, 10, 25, 100 и 1000 кВт. Так, в средней полосе России для отопления дома площадью 100 м2 необходимо иметь тепловую мощность в 5-10 кВт, а насоса с тепловой мощностью 100 кВт достаточно для отопления типовых школ, больниц и административных зданий. Тепловые насосы мощностью 1000 кВт удобны для задач возврата тепловых отходов, использования горячих источников. По оценкам специалистов, стоимость установки теплового насоса в российских условиях оценивается примерно от 300 долларов США за 1 кВт тепловой мощности при сроке окупаемости оборудования от двух до четырех лет, что в первую очередь зависит от цен на топливо и климатических условий конкретного региона.

Введение в эксплуатацию порядка 100 тысяч тепловых насосов суммарной тепловой мощностью в 2 гВт позволит дать тепло 10 миллионам человек при среднем сроке службы теплового насоса в 15 лет. Объем продаж такого оборудования может составить более полумиллиарда долларов в год.

Д.т.н. В.Е. Беляев, главный конструктор ОМКБ Горизонт,
д.т.н. А.С. Косой, заместитель главного конструктора промышленных ГТУ,
главный конструктор проектов,
к.т.н. Ю.Н. Соколов, начальник сектора тепловых насосов ОМКБ Горизонт,
ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва

Использование теплонасосных установок (ТНУ) для энергетики, промышленности и предприятий ЖКХ является одним из наиболее перспективных направлений энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий.

Достаточно серьезный анализ состояния и перспектив развития работ в указанной области был сделан на заседании подсекции «Теплофикация и централизованное теплоснабжение» НТС ОАО РАО «ЕЭС России» 15.09.2004 г. .

Необходимость создания и внедрения ТНУ нового поколения связана с:

♦ огромным отставанием Российской Федерации и стран СНГ в области практического внедрения ТНУ, всевозрастающими потребностями крупных городов, удаленных населенных пунктов, промышленности и предприятий ЖКХ в разработке и использовании дешевой и экологически чистой тепловой энергии (ТЭ);

♦ наличием мощных источников низкопотенциального тепла (грунтовые воды, реки и озера, тепловые выбросы предприятий, зданий и сооружений);

♦ всевозрастающими ограничениями в использовании для теплогенерирующих установок природного газа (ПГ);

♦ возможностями использования прогрессивных конверсионных технологий, накопленных в авиадвигателестроении.

В условиях рыночных отношений важнейшими технико-экономическими показателями эффективности энергогенерирующих установок являются себестоимость и рентабельность производимой энергии (с учетом экологических требований) и, как следствие, - минимизация сроков окупаемости энергоустановок.

Основными критериями выполнения этих требований являются:

♦ достижение максимально возможного в энергоустановке коэффициента использования топлива (КИТ) (отношение полезной энергии к энергии топлива);

♦ предельно возможное снижение капитальных затрат и сроков сооружения энергоустановки.

Вышеназванные критерии были учтены при реализации ТНУ нового поколения.

Впервые для практической реализации крупномасштабных ТНУ в качестве рабочего тела предложено использовать водяной пар (R718). Сама идея использования водяного пара для ТНУ не нова (более того, она была использована В. Томсоном при демонстрации работоспособности первой такой реальной машины еще в 1852 г. - прим. авт.). Однако, из-за весьма значительных удельных объемов водяного пара при низких температурах (по сравнению с традиционными хладонами), создание реального компрессора на водяном паре для использования в парокомпрессионных ТНУ до сих пор осуществлено не было.

Основными преимуществами использования водяного пара в качестве рабочего тела для ТНУ по сравнению с традиционными хладонами (фреоны, бутан, пропан, аммиак и др.) являются:

1. Экологическая чистота, безопасность и простота технологического обслуживания, доступность и низкая стоимость рабочего тела;

2. Высокие теплофизические свойства, благодаря которым наиболее дорогие элементы ТНУ (конденсатор и испаритель) становятся компактными и дешевыми;

3. Существенно более высокие температуры теплоносителя к потребителю (до 100 ОС и выше) по сравнению с 70-80 ОС для фреонов;

4. Возможность реализации каскадной схемы повышения температуры от низкопотенциального источника к теплопотребителю (по циклу Лоренца ) с увеличением коэффициента преобразования в ТНУ (kТНУ) по сравнению с традиционными в 1,5-2 раза;

5. Возможность генерирования в ТНУ химически очищенной воды (дистиллята);

6. Возможность использования компрессора и конденсатора ТНУ для:

♦ отсоса водяного пара с выхода теплофикационных турбин с передачей бросового тепла теплопотребителю, приводящего дополнительно к повышению вакуума на выходе из турбины, увеличению ее генерируемой мощности, снижению расхода циркуляционной воды, затрат на ее перекачку и тепловых выбросов в атмосферу ;

♦ отсоса низкопотенциального водяного пара (бросового) из энерготехнологических устано-

вок химического производства, сушильных и др. с передачей бросовой теплоты к теплопотреби-телю;

♦ создания высокоэффективных эжектирую-щих устройств для конденсаторов паровых турбин, отсоса многокомпонентных смесей и т.д.

Принципиальная схема работы ТНУ на водяном паре и ее конструктивные особенности

На рис. 1 показана принципиальная схема работы ТНУ при использовании в качестве рабочего тела водяного пара (R718).

Особенностью предлагаемой схемы является возможность организации отбора теплоты низкотемпературного источника в испарителе за счет непосредственного испарения части подаваемой в него воды (без теплообменных поверхностей), а также возможность передачи теплоты в теплосеть в конденсаторе ТНУ как при наличии теплообменных поверхностей, так и без них (смесительного типа). Выбор типа конструкции определяется привязкой ТНУ к конкретному источнику низкопотенциального источника и требованиями теплопотребителя по использованию поступающего к нему теплоносителя.

Для практической реализации крупномасштабной ТНУ на водяном паре предложено использовать серийно выпускаемый авиационный осевой компрессор АЛ-21, имеющий следующие важные особенности при его использовании для работы на водяном паре:

♦ большую объемную производительность (до 210 тыс. м3/ч) при числе оборотов ротора компрессора около 8 тыс. об/мин;

♦ наличие 10 регулируемых ступеней, позволяющих обеспечить эффективную работу компрессора в различных режимах;

♦ возможность осуществления впрыска воды в компрессор для улучшения эффективности работы, в том числе снижения потребляемой мощности .

Кроме того, для повышения надежности работы и снижения эксплуатационных затрат было принято решение заменить подшипники качения на подшипники скольжения, использовав при этом вместо традиционной масляной системы систему смазки и охлаждения на воде.

Для изучения газодинамических характеристик компрессора при работе на водяном паре в широком диапазоне определяющих параметров, отработки элементов конструкции и демонстрации надежности работы компрессора в условиях натурных испытаний, был создал на полигон-электростанции ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» крупномасштабный испытательный стенд (замкнутого типа, диаметр трубопроводов 800 мм, длина около 50 м ).

В результате проведения испытаний были получены следующие важные результаты:

♦ подтверждена возможность эффективной и устойчивой работы компрессора на водяном паре при n=8000-8800 об/мин с объемным расходом водяного пара до 210 тыс. м3/ч.

♦ продемонстрирована возможность достижения глубокого вакуума на входе в компрессор (0,008 ата);

♦ экспериментально полученный коэффициент сжатия в компрессоре πκ=5 в 1,5 раза превысил требуемое значение для ТНУ с коэффициентом преобразования 7-8;

♦ отработана надежная конструкция подшипников скольжения компрессора на воде.

В зависимости от условий эксплуатации ТНУ предлагается 2 типа ее компоновки : вертикальная (ТНУ в одном агрегате) и горизонтальная.

Для ряда модификаций предлагаемой вертикальной компоновки ТНУ возможна замена трубчатого конденсатора на конденсатор оросительного типа. В этом случае конденсат рабочего тела ТНУ смешивается с теплоносителем (водой) к потребителю. Стоимость ТНУ при этом снижается примерно на 20%.

В качестве привода компрессора ТНУ может быть использован:

♦ встроенный турбопривод мощностью до 2 МВт (для ТНУ производительностью до 15 МВт);

♦ выносные высокооборотные турбоприводы (для ТНУ производительностью до 30 МВт);

♦ газотурбинные двигатели с утилизацией ТЭ с выхода;

♦ электропривод.

В табл. 1 приведены характеристики ТНУ на водяном паре (R718) и фреоне 142.

При использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты с температурой 5-25 ОС по технико-экономическим соображениям в качестве рабочего тела ТНУ выбран фреон 142.

Сопоставительный анализ показывает, что для ТНУ на водяном паре капитальные затраты в между водяным теплоносителем и рабочим телом (фреоном).

диапазоне температур низкопотенциального источника:

♦ 25-40 ОС - в 1,3-2 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2-3 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ;

♦ 40-55 ОС - в 2-2,5 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2,5-4 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ.

Таблица 1. Характеристики ТНУ на водяном паре и фреоне.

*- при работе на фреоне испаритель и конденсатор ТНУ выполняются с теплообменными поверхностями

**-Т- турбопривод; Г- газотурбинный (газопоршневой); Э - электропривод.

В работе в условиях реальной эксплуатации ТНУ на ТЭЦ была продемонстрирована возможность эффективной передачи в теплосеть сбросной теплоты из паровой турбины с коэффициентом преобразования ТНУ равным 5-6. В предложенной в и показанной на рис. 2 схеме коэффициент преобразования ТНУ будет существенно выше за счет исключения испарителя ТНУ и, соответственно, отсутствия температурного перепада между низкотемпературным источником и рабочим паром на входе в компрессор.

В настоящее время создание высокоэффективных и экологически чистых теплогенерирующих энергоустановок на базе ТНУ является крайне актуальной задачей .

В описаны результаты внедрения ТНУ различного типа для нужд теплоснабжения, промышленных предприятий и ЖКХ.

В на основе реальных испытаний ТНУ на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» предложены 2 конкретные схемы передачи сбросной теплоты в градирни с помощью ТНУ в теплосеть (прямая передача в обратную тепломагистраль и для нагрева подпиточной сетевой воды).

В проанализированы пути создания высокоэффективных компрессионных ТНУ на водяном паре при использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты в диапазоне температур от 30 до 65 ОС с газотурбинным приводом компрессора и утилизацией теплоты уходящих газов из ГТУ. Результаты технико-экономического анализа показали, что в зависимости от условий, себестоимость генерируемой теплоты ТНУ может в несколько раз быть ниже (а КИТ в несколько раз выше), чем при традиционной выработке теплоты на ТЭЦ.

В проведен анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения (ГВС). Показано, что эта эффективность существенно зависит от действующих тарифов на энергоносители и температуры используемой низкопотенциальной теплоты, поэтому к проблеме использования ТНУ необходимо подходить взвешенно, с учетом всех конкретных условий.

ТНУ в качестве альтернативного источника ГВС потребителей централизованного теплоснабжения в отопительный период

В настоящей работе, на основе накопленного опыта, анализируется возможность и технико-экономические показатели более углубленного по сравнению с использования ТНУ для ГВС, в частности, практически 100% вытеснения теплоты от традиционных ТЭЦ на эти цели в отопительный период.

Для примера рассмотрена возможность реализации такого подхода для наиболее крупного Московского региона РФ при использовании в качестве бросовой теплоты двух источников:

♦ теплоты естественных природных водных источников: Москва-реки, озер, водоемов и других со средней температурой около 10 ОС;

♦ сбросной теплоты канализационных стоков и других источников;

♦ сбросной теплоты в градирни (с выхода паровых турбин ТЭЦ в отопительный период в режиме вентиляционного пропуска с температурой пара на выходе 30-35 ОС). Суммарная величина этой теплоты составляет около 2,5 тыс. МВт.

В настоящее время на нужды ГВС Московского региона расходуется около 5 тыс. МВт ТЭ (примерно 0,5 кВт на 1 чел.). Основное количество теплоты для ГВС поступает от ТЭЦ по системе централизованного теплоснабжения и осуществляется на ЦТП московской городской теплосети. Нагрев воды на ГВС (от ~10 ОС до 60 ОС) осуществляется, как правило, в 2-х последовательно включенных теплообменниках 7 и 8 (рис. 3) сначала от теплоты сетевой воды в обратной тепломагистрали и затем от теплоты сетевой воды в прямой тепломагистрали. При этом на нужды ГВС расходуется ~650-680 т у.т./ч ПГ.

Реализация схемы расширенного (комплексного) использования вышеуказанных источников бросовой теплоты для ГВС с помощью системы двух ТНУ (на фреоне и водяном паре, рис. 4) позволяет в отопительный период практически 100% скомпенсировать около 5 тыс. МВт теплоты (соответственно, сэкономить огромное количество ПГ, уменьшить тепловые и вредные выбросы в атмосферу).

Естественно, при наличии действующих ТЭЦ в неотопительный период времени с помощью ТНУ передавать теплоту нецелесообразно, поскольку ТЭЦ из-за отсутствия тепловой нагрузки вынуждены переходить в конденсационный режим работы со сбросом в градирни большого количества теплоты сожженного топлива (до 50%).

Теплонасосная установка ТНУ-1 с рабочим телом на фреоне (R142) может обеспечить нагрев воды от ~10 ОС на входе в испаритель 10 до ~35 ОС на выходе из него, используя в качестве низкотемпературного природного источника воду с температурой около 10 ОС с kТНУ около 5,5. При использовании в качестве низкотемпературного источника сбросной воды промышленных предприятий или ЖКХ ее температура может значительно превышать 10 ОС. В этом случае kТНУ будет еще выше.

Таким образом, ТНУ-1 может с большой эффективностью обеспечить 50% нагрев воды для ГВС суммарной величиной передаваемой теплоты до 2,5 тыс. МВт и выше. Масштабы внедрения таких ТНУ достаточно велики. При средней единичной тепловой мощности ТНУ-1 около 10 МВт только для Московского региона потребовалось бы около 250 таких ТНУ.

При kТНУ=5,5 на привод компрессоров ТНУ необходимо затратить около 450 МВт электрической или механической мощности (при приводе, например, от ГТУ). Теплонасосные установки ТНУ-1 должны устанавливаться вблизи от тепло-потребителя (на ЦТП городской теплосети).

Теплонасосные установки ТНУ-2 устанавливаются на ТЭЦ (рис. 4) и используют в отопительный период в качестве низкотемпературного источника пар с выхода теплофикационных турбин (вентиляционный пропуск части низкого давления (ЧНД)). При этом, как уже отмечалось выше, пар с температурой 30-35 ОС поступает непосредственно в компрессор 13 (рис. 2, испаритель ТНУ отсутствует) и после его сжатия подается в конденсатор 14 теплонасосной установки ТНУ-2 на нагрев воды из обратной сетевой магистрали.

Конструктивно пар может отбираться, например, через предохранительный (сбросной) клапан ЧНД паровой турбины 1. Компрессор 13, создавая существенно более низкое давление на выходе из ЧНД турбины 1 (чем при отсутствии ТНУ-2), соответственно, снижает температуру конденсации (насыщения) пара и «отключает» конденсатор турбины 3.

На рис. 4 схематично показан случай, когда бросовая теплота передается конденсатором 14 в обратную тепломагистраль до ПСВ 4. В этом случае даже при передаче всей бросовой теплоты с выхода ЧНД турбины в обратную тепломагистраль температура перед ПСВ увеличится всего на ~5 ОС, незначительно повысив при этом давление греющего пара из отбора турбины на ПСВ 4.

Более эффективно передать сначала часть сбросной теплоты на нагрев подпиточной сетевой воды (вместо ее традиционного нагрева отборным паром из турбины), а затем уже остаток сбросной теплоты отдать в обратную тепломагистраль (на рис. 4 этот вариант не показан).

Важным результатом предлагаемого подхода является возможность вытеснения с помощью дополнительно установленных на ТЭЦ ТНУ-2 в отопительный период применительно к Московскому региону до 2,5 тыс. МВтТЭ (передаваемых пиковыми водогрейными котлами). При единичной мощности ТНУ-2 на водяном паре равной ~6-7 МВт для передачи такого количества теплоты потребовалось бы 350-400 таких установок.

Учитывая весьма низкий уровень температурного перепада в ТНУ (~15 ОС между низкотемпературным источником и температурой обратной сетевой воды), коэффициент преобразования ТНУ-2 будет еще более высоким (kТНУ ~6,8), чем для ТНУ-1. При этом для передачи в теплосеть ~2,5 тыс. МВтТЭ необходимо суммарно затратить около 370 МВт электрической (или механической) энергии.

Таким образом, суммарно с помощью ТНУ-1 и ТНУ-2 в отопительный период на нужды ГВС Московского региона можно передать до 5 тыс. МВт ТЭ. В табл. 2 дана технико-экономическая оценка такого предложения.

В качестве привода ТНУ-1 и ТНУ-2 может быть использован газотурбинный привод с N=1 -5 МВт и КПД 40-42% (за счет регенерации теплоты уходящих газов). При затруднениях, связанных с установкой на ЦТП городской теплосети ГТУ (дополнительный подвод ПГ и др.), в качестве привода для ТНУ-1 может использоваться электропривод.

Технико-экономические оценки сделаны для тарифов на топливо и ТЭ на начало 2005 г. Важным результатом анализа является существенно более низкая себестоимость генерируемой ТЭ с помощью ТНУ (для ТНУ-1 - 193 руб./Гкал и ТНУ-2 - 168 руб./Гкал) по сравнению с традиционным способом ее генерирования на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».

Известно, что в настоящее время себестоимость ТЭ, рассчитанная по так называемому «физическому способу разделения топлива на производство электроэнергии и тепла», значительно превышает 400 руб./Гкал (тариф на ТЭ). При таком подходе производство тепла даже на самых современных ТЭЦ является нерентабельным, и эта убыточность компенсируется увеличением тарифов на электроэнергию.

На наш взгляд, такая методика разделения затрат топлива некорректна, но до сих пор используется, например, в ОАО «Мосэнерго».

По нашему мнению, приведенные в табл. 2 сроки окупаемости ТНУ (от 4,1 до 4,7 лет) не являются большими. При расчете принято 5 тыс. часов работы ТНУ в году. В действительности, в летний период времени эти установки могут работать по примеру передовых западных стран в режиме централизованного холодоснабжения, существенно улучшая при этом среднегодовые технико-экономические показатели работы.

Из табл. 2 видно, что КИТ для указанных ТНУ варьируется в диапазоне от~2,6 до~3,1, что более чем в 3 раза превышает его значение для традиционных ТЭЦ. С учетом пропорционального снижения тепловых и вредных выбросов в атмосферу, затрат на перекачку и потери циркуляционной воды в системе: конденсатор турбины - градирня, повышения вакуума на выходе ЧНД турбин (при работе ТНУ-2) и, соответственно, генерируемой мощности, технико-экономические преимущества указанного предложения будут еще более значительными.

Таблица 2. Технико-экономическое обоснование использования ТНУ на водяном паре и фреоне.

* - дополнительная теплота при утилизации тепла уходящих газов из газотурбинных приводных установок может быть использована для вытеснения части теплоты от ТЭЦ на централизованное теплоснабжение.

С учетом неизбежного роста цен на энергоносители при вступлении России в ВТО, ограничений на использование ПГ для энергетики и потребностей широкого внедрения высокоэффективных энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий технико-экономические преимущества внедрения ТНУ будут неизменно расти.

Литература

1. Новое поколение тепловых насосов для целей теплоснабжения и эффективность их использования в условиях рыночной экономики // Материалы заседания подсекции Теплофикации и централизованного теплоснабжения НТС ОАО РАО «ЕЭС России», Москва, 15 сентября 2004 г.

2. АндрюшенкоА.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. - М.: Высш. школа, 1985 г.

3. Беляев В.Е., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Способ получения тепловой энергии. Патент РФ № 2224118 от 05.07.2002г., ФГУП«ММПП«Салют».

4. Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Сачкова Н.Г. Расчетные оценки изменения характеристик многоступенчатого

компрессора под влиянием испарения воды в его проточной части, ММПП «Салют»-ЦИАМ// Теплоэнергетика. 2004. №11.

5. Елисеев Ю.С., Беляев В.В., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Проблемы создания высокоэффективной парокомпрес-сионной установки нового поколения. Препринт ФГУП «ММПП «Салют», май 2005.

6. ДевянинД.Н., Пищиков С.И., Соколов Ю.Н. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» лабораторного стенда по апробации схем использования ТНУ в энергетике // «Новости теплоснабжения». 2000. № 1. С. 33-36.

7. Проценко В. П. О новой концепции теплоснабжения РАО «ЕЭС России» // Энерго-пресс, № 11-12, 1999.

8. Фролов В.П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгин-ский А.Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // «Энергосбережение». 2004. №2.

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;

Теплонасосные установки могут успешно и эффективно применяться в установках совместного зимнего отопления и летнего кондиционирования воздуха; в установках совместного получения холода и тепла; в выпарных опреснительных и ректификационных установках; на гидростанциях для использования тепла воздуха и водорода, охлаждающих электрические генераторы; на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах при использовании тепла горячих нефтепродуктов и горячей воды (t 60 Ч - 120 С) для получения водяного пара давлением 10 кГ / еж2 и горячей воды температурой 130 - 150 С.  

Теплонасосная установка, которая служит в зимнее время для отопления курортного зала, использует в качестве источника теплоты морскую воду. Как изменится тепловая мощность установки, если она будет работать по внутреннему обратимому циклу Карно при тех же температурных напорах в испарителе и конденсаторе. Как изменится отопительный коэффициент, если устранить внешнюю необратимость в теплообменниках установки, работающей по обратному циклу Карно.  

Теплонасосные установки наиболее целесообразно использовать для удовлетворения постоянной тепловой нагрузки при наличии постоянного источника низкопотенциальной теплоты и при относительно небольшом необходимом теплоподъеме, т.е. при небольшом значении & TTS-Та или при отношении TS / TB, близком к единице. Такие условия обычно имеют место при удовлетворении с помощью теплона-сосных установок сравнительно постоянной промышленной тепловой нагрузки невысокого потенциала или нагрузки горячего водоснабжения, при наличии отходов низкопотенциальной промышленной теплоты с температурой 20 - 40 С и выше. В этих условиях Теплонасосные установки как по энергетическим показателям (расходу топлива), так и по приведенным затратам вполне конкурентоспособны с высокоэкономичными котельными установками.  

Теплонасосная установка (Heat pump plant) состоит из теплового насоса, установки для отбора теплоты от ее источника и другого оборудования.  

Теплонасосная установка, как правило, имеет более высокую начальную стоимость, чем отопление, действующее от котла.  

Теплонасосные установки наиболее целесообразно использовать для удовлетворения постоянной тепловой нагрузки при наличии постоянного источника низкопотенциальной теплоты и при относительно небольшом необходимом теплоподъеме, т.е. при небольшом значении & ТТВ-Ts или при отношении ТБ / ТВ, близком к единице. Такие условия обычно имеют место при удовлетворении с помощью теплона-сосных установок сравнительно постоянной промышленной тепловой нагрузки невысокого потенциала или нагрузки горячего водоснабжения, при наличии отходов низкопотенциальной промышленной теплоты с температурой 20 - 40 С и выше. В этих условиях Теплонасосные установки как по энергетическим показателям (расходу топлива), так и по приведенным затратам вполне конкурентоспособны с высокоэкономичными котельными установками.  

Двухступенчатые теплонасосные установки иногда применяются в системах теплоснабжения, покрывающих отопительную нагрузку.  

Впервые парокомпрессионная аммиачная теплонасосная установка была использована для отопления помещения в 1930 г. С тех пор было сооружено большое число тепловых насосов. Есть основания полагать, что в дальнейшем использование тепловых насосов будет более широким.