Главная

Тепловые насосы: все, что нужно знать об этом оборудовании. Сочетание кольцевых систем с другими системами

Использование: в установках для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией. Сущность изобретения теплонасосная установка содержит теплообменник 1, испаритель 4, инжектор-абсорбер 6, напорно-разделительный бачок 9 и жидкостной насос 7. Испаритель 4 и инжектор-абсорбер 6 соединены по меньшей мере одним капилляром 5. Испаритель 4 выполнен из трех полостей и заполнен пористым телом 16. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплонасосным установкам, базирующимся на абсорбционных агрегатах, в частности к установкам для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией. В основу работы всех тепловых насосов заложены термодинамическое состояние и параметры, определяющие это состояние: температура, давление, удельный объем, энтальпия и энтропия. Работа всех тепловых насосов заключается в том, что тепло изотермически подводится при низкой температуре и изометрически отводится при высокой температуре. Сжатие и расширение производится при постоянной энтропии, а работа производится от внешнего двигателя. Тепловой насос можно охарактеризовать как умножитель тепла, использующий низкопотенциальное тепло различных тепловыделяющих сред, таких как окружающий воздух, грунт, грунтовые и сточные воды и т.п. В настоящее время известно множество различных тепловых насосов с различными рабочими телами. Такое разнообразие вызвано существующими ограничениями использования того или иного вида теплового насоса, которые накладываются не только техническими проблемами, но также законами природы. Наиболее распространенными являются насосы с механической компрессией пара, затем насосы с абсорбционным циклом и двойным циклом Ренкина. Насосы с механической компрессией не находят широкого использования в виду необходимости наличия сухого пара, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкости в компрессор может вообще вывести его из строя. Наиболее широко используются насосы абсорбционного типа. Процесс работы абсорбционных установок основан на последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения рабочего агента абсорбентом, а затем освобождения (десорбции) абсорбента от рабочего агента. Как правило, рабочим агентом в абсорбционных установках служит вода либо иные растворы, способные поглощаться абсорбентом, в качестве абсорбентов могут быть использованы соединения и растворы, легко поглощающие рабочее тело: аммиак (NH 3), серный ангидрит (SO 2), двуокись углерода (CO 2), едкий натр (NaOH), едкий калий (KOH), хлористый кальций (CACl 2) и т.д. Известна, например, теплонасосная установка (авт. св. СССР N 1270499, кл. F 25 B 15/02, 29/00, 1986), содержащая абсорбционный холодильный агрегат с контуром хладагента, конденсатор, переохлодитель, испаритель, дефлегматор и регенеративный теплообменник, а также контур отопительной воды, проходящей через конденсатор, линию вентиляционного воздуха, проходящую последовательно через абсорбер и переохладитель, контур отопительной воды выполнен замкнутым и в него дополнительно включен дефлегматор. Установка дополнительно содержит двухполостной теплообменник -переохладитель, который одной полостью включен в контур хладагента между переохладителем и испарителем, а другой- в линию вентиляционного воздуха перед абсорбером. Описанная установка громоздка и металлоемка, так как имеет узлы и системы, работающие при повышенном давлении. Кроме того, достижения высоких энергетических показателей в известной установке используют в качестве теплоносителя аммиак и его водные растворы, которые являются ядовитыми и коррозионно агрессивными. Наиболее эффективны теплонасосные установки абсорбционно-инжекторного типа. Известна тепловая установка (авт. св. СССР N 87623, кл. F 25 B 15/04, 1949), включающая генератор аммиачного пара (испаритель), заполненного высококонцентрированным водоаммиачным раствором, с расположенным внутри него змеевиком из стальных труб, в который подается пар низкого давления, служащий для испарения аммиака, абсорберы высокого давления (инжекторы), насосы, трубчатую систему тепла, генератор высокого пара, подогреватель конденсата пара низкого давления, охладитель, служащий одновременно подогревателем. Описанная установка позволяет повысить давление пара при высоком значении термического коэффициента полезного действия за счет того, что абсорбер установки имеет инжекторы, служащие для повышения давления, полученного в генераторе аммиачного пара, с помощью подаваемого насосом из генератора обедненного раствора. Однако в описанной установке используют агрессивные среды, что требует использования специальных материалов высокой коррозионной стойкости. Это значительно удорожает установку. Целью изобретения является создание упрощенной, экологически безвредной, экономичной установки, имеющей высокие энергетические характеристики. Эта задача решается тем, что теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, испаритель и инжектор-абсорбер, которые согласно изобретению, соединены между собой по меньшей мере одним капилляром, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем, разделенные полостью вакуума, подключенной к инжектору-абсорберу, причем испаритель содержит пористое тело, размещенное одновременно во всех указанных полостях. Исполнение в установке связи между испарителем и инжектором-абсорбером в виде термодинамически прерывной системы, соединенной по меньшей мере одним капилляром, позволяет вести процесс получения тепла в области, далекой от термодинамического равновесия, что значительно интенсифицирует тепломассообмен в рассматриваемой системе. Можно соединить испаритель и инжектор-абсорбер несколькими капиллярами. Это усилит эффект тепломассообмена в рассматриваемой системе. Исполнение испарителя с тремя независимыми, разделенными полостями и с пористым телом, размещенным одновременно во всех трех полостях, позволяет образовывать развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом (примерно 100-10000 см 2 в 1 см 3), за счет чего внутри пористого тела происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение им воздуха, сопровождающееся большим поглощением тепла, поступающего из тепловыделяющей среды. Целесообразно, чтобы капилляр имел диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, создаваемым инжектором-абсорбером, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя, и длину, равную 10-10 5 диаметров капилляра. Это обеспечивает интенсивный массоперенос теплоносителя в направлении только от испарителя к инжектору-абсорберу. Пористое тело целесообразно выполнить из пор двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем. В этом случае пористое тело проницаемо одновременно для жидкости и воздуха и позволит образовывать более развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом внутри пористого тела. Это значительно интенсифицирует процесс испарения. Скорость испарения в испарителе описанной выше конструкции с пористым телом достигает величины, приближенной к скорости испарения в абсолютном вакууме. Целесообразно к испарителю подвести по меньшей мере одну тепловую трубу, один конец которой разместить в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде, например в грунте. Это позволит интенсифицировать теплообмен между испарителем и тепловыделяющей средой. Патрубок отвода газо-паровой смеси напорно-разделительного бачка можно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором. Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарения теплоносителя в испарителе. Напорно-разделительный бачок целесообразно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором. Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарителя теплоносителя в испарителе. Полость испарителя, заполненную теплоносителем, можно соединить с теплообменником линией конденсата теплоносителя. Это позволит избежать потерь теплоносителя с парогазовой смесью, отделенной в напорно-разделительном бачке, и обеспечит постоянное восполнение теплоносителя в испарителе. На фиг.1 изображена схема предлагаемой теплонососной установки; на фиг.2 испаритель с размещенным в нем пористым телом и тепловой трубой. Заявляемая теплонасосная установка содержит теплообменник 1 (фиг.1) с патрубками 2, 3 соответственно подачи вентиляционного воздуха и воздушно-паровой смеси, испаритель 4, соединенный с теплообменником 1 газожидкостной линией 5, представляющей собой две раздельные трубы, и с инжектором-абсорбером с капилляром 7, подключенным к всасывающей линии инжектора-абсорбера. Капилляр должен иметь диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере 6, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя. Длина капиллярной линии должна иметь 10-10 5 диаметра капилляра. Инжектор-абсорбер 6 установлен на напорной линии жидкостного насоса 8 и соединен с напорно-разделительным бачком 9, заполненным на 2/3 его объема жидким теплоносителем. Напорно-разделительный бачок соединен линией 10 с теплообменником 1 через патрубок 3 и линией 2, предназначенной для отвода жидкого теплоносителя, с нагревательными приборами 12, которые подключены к всасывающей линии жидкостного насоса 7. Испаритель 4 выполнен из трех независимых полостей 13, 14 и 15 (фиг.2). Полость 13 соединена с трубой подачи воздуха из теплообменника. Полость 15 заполнена жидким теплоносителем и соединена с трубой подачи конденсата теплоносителя из теплообменника 1, являющегося и конденсатором пара теплоносителя. Это позволяет избежать потерь теплоносителя с газо-паровой смесью, которая отделяется от жидкого теплоносителя в напорно-разделительном бачке 9. Полость 14 соединена посредством капиллярной линии 7 с всасывающей линией инжектора-абсорбера 6, внутри испарителя 4 размещено пористое тело 16, выполненное в виде толстостенного цилиндра, содержащего два вида пор - поверхность одного вида пор хорошо смачивается теплоносителем, поверхность другого вида пор не смачивается теплоносителем, но является проницаемой для воздуха. Материал для пористого тела подбирают в зависимости от теплоносителя, которым может быть любая неагрессивная жидкость с температурой кипения при давлении 1 атм не выше 150 o C, например вода, спирты, эфиры, углеводороды и их смеси, состоящие из двух, трех и более компонентов, взаимно растворимых. Теплоноситель выбирают в зависимости от того, какое помещение требуется обогревать установкой, от климатических условий и других факторов. Пористое тело 16 размещено внутри испарителя таким образом, что его поверхности соприкасаются со всеми тремя указанными полостями. К испарителю 4 подведена тепловая труба 17, один конец которой размещен в пористом теле 16, а другой в тепловыделяющей среде, например грунте. Тепловых труб может быть несколько, что усилит подвод тепла из теплосодержащей среды к испарителю и усилит тем самым процесс испарения теплоносителя. Теплонасосная установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы через патрубок 3 подачи воздуха за счет разрежения, созданного инжектором-абсорбером в испарителе 4, засасывает в теплообменник 1 и посредством газожидкостной линии 5 по трубе воздуха поступает в камеру 13 испарителя 4. Внутри пористого тела 16 происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение его парами воздуха. При этом поглощается тепло тепловыделяющей среды, например грунта, которое подводится в испаритель посредством тепловых труб 17. Скорость испарения теплоносителя внутри пористого тела достигает величины, сравнимой со скоростью испарения в абсолютном вакууме 0,3 г/см 3 c, что соответствует тепловому потоку 0,75 Вт/см 2 пористого тела. Воздух, насыщенный парами теплоносителя, по капилляру 7 засасывается в инжектор-абсорбер 6, сюда же жидкостным насосом 8 из нагревательных приборов 12 под напором подается теплоноситель и смешивается с паро-воздушной смесью, образуя эмульсию, представляющую собой пузырьки воздуха и теплоносителя. При этом происходит поглощение парообразной влаги жидкостью с выделением тепла, эквивалентного поглощенному в испарителе теплу. Выделенное тепло расходуется на нагрев теплоносителя. Образованная в инжекторе-абсорбере 6 эмульсия поступает в напорно-разделительный бачок 9, где происходит разделение ее на воздухо-паровую смесь и жидкий теплоноситель. Из напорно-разделительного бачка 9 нагретый теплоноситель поступает самотеком в нагревательные приборы 12 и вновь на всасывающую линию жидкостного насоса 8, завершая таким образом цикл жидкого теплоносителя. Воздухо-паровая смесь из напорно-разделительного бачка 9 по линии 10 за счет небольшого избыточного давления, созданного в напорно-разделительном бачке 9, поступает в теплообменник 1 через патрубок 3. В теплообменнике 1 происходит нагрев засасываемого атмосферного воздуха и конденсация паров теплоносителя, которые раздельно поступают в испаритель 4. Таким образом, заявляемая теплонасосная установка отличается высокими энергетическими характеристиками, без использования агрессивных, экологически вредных теплоносителей, что делает ее безопасной в эксплуатации. В качестве теплоносителя может использоваться вода. Для обогрева помещений, зданий в суровых климатических условиях испаритель можно заполнять легкокипящим теплоносителем для более интенсивного испарения, а по отопительной системе можно пропускать воду. Для обогрева, например, гаражей, когда не требуется даже в зимнее время постоянного его обогрева, целесообразно использовать в качестве теплоносителя спирты или растворы, имеющие низкую температуру замерзания, что предотвратит размерзание системы во время отключения установки. Использование неагрессивных нагревательных теплоносителей исключает необходимость применения специальных материалов и сплавов при изготовлении установки. Часть узлов установки, такие как напорно-разделительный бачок, соединительные трубопроводы можно выполнять из пластмасс, резины и других неметаллических материалов, что позволит значительно снизить металлоемкость. Установка технически проста в исполнении и эксплуатации, не требует больших энергозатрат. Тепловыделяющий узел компактен и может быть размещен на небольшой площади и может быть использована как для отопления больших помещений, зданий, так и небольших построек, а также гаражей, а при работе в холодильном цикле для охлаждения подвалов в летнее время. Возможность широкого выбора вида теплоносителя позволяет использование установки в любых климатических условиях. Все это определяет дешевизну установки, безопасность ее эксплуатации и доступность для большого числа потребителей.

Формула изобретения

1. Теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, отличающаяся тем, что установка снабжена линией вентиляционного воздуха, по меньшей мере одним капилляром и пористым телом, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем и третья вакуумированная полость подключена к инжектору -абсорберу, при этом пористое тело размещено во всех трех полостях, а испаритель и инжектор-абсорбер соединены между собой по меньшей мере одним капилляром. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что капилляр имеет диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере, и температуре, равной температуре окружающей среды, а длина капилляра равна 10 10 5 его диаметра. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пористое тело образовано порами двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к испарителю подведена по меньшей мере одна тепловая труба, один конец которой размещен в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что напорно-разделительный бачок соединен с теплообменником. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена линией конденсата теплоносителя, с помощью которой полость испарителя, заполненная теплоносителем, связана с теплообменником.

Одним из самых популярных видов оборудования на рынке климатической техники России и СНГ являются тепловые насосы. Их предпочитают использовать многие покупатели, желающие создать эффективную систему охлаждения и обогрева своих домов и офисов, однако очень немногие хорошо себе представляют принципы работы этой техники и зачастую даже не осведомлены, в каких ситуациях ее лучше использовать. А тем временем основных вопросов, касающихся работы теплонасосных установок, несколько, и разобраться в них будет несложно даже новичкам.

Что такое тепловые насосы?

К этой категории оборудования относится техника, которая способна утилизировать тепло, получаемое из окружающей среды, при помощи компрессора увеличивать до заданного уровня температуру теплоносителя и затем передавать тепло в определенное помещение. При этом тепловые насосы могут извлекать тепло из любых носителей, буквально «выкачивая» его из окружающей среды. Таким образом насосы способны работать с:

холодным, морозным воздухом,
холодной водой,
землей.

Понижая температуру теплоносителя, такое климатическое оборудование может эффективно обогревать любые здания.

Технические характеристики работы насоса

В целом, теплонасосная установка в отличие от других видов климатического оборудования затрачивает минимальное количество электроэнергии в процессе своей работы . В среднем ей нужно потратить только 1 кВт энергии, и этого будет достаточно для производства 3-6 кВт тепла. Другими словами, используя мощность 2-3 обычных лампочек, зимой можно эффективно обогреть жилое помещение средних размеров . Летом эта же мощность может расходоваться на то, чтобы помещение охладить: в этом случае тепловой насос будет поглощать теплоту из воздуха, находящегося в комнате, и выводить его в атмосферу, в землю или в воду, создавая прохладу в любой комнате.

Какими бывают тепловые насосы?

В продаже широко представлено оборудование, которое можно использовать в различных сферах , включая:

жилые помещения,
сельскохозяйственные предприятия,
промышленные предприятия,
жилищно-коммунальное хозяйство.

Разумеется, теплонасосные установки для разных помещений имеют разные характеристики и могут даже различаться габаритами. При этом насосы имеют различную тепловую мощность (от нескольких кВт и до сотен мегаВт), а также могут работать с разными источниками тепла, независимо от их агрегатных состояний (твердыми, жидкими или газообразными). Учитывая особенности работы такого оборудования, теплонасосные установки делятся на такие типы:

вода-вода,
воздух-вода,
вода-воздух,
воздух-воздух,
грунт-вода,
грунт-воздух.

Также на рынке представлены тепловые насосы, которые специально разработаны для работы с низкопотенциальным теплом . Источники такого тепла могут иметь даже отрицательную температуру, а тепловой насос в этом случае служит приемником высокопотенциального тепла, принимающего даже очень высокую температуру (более 1 тыс. градусов). В целом, по тому, с какой температурой установка работает, она подразделяется на:

низкотемпературную,
среднетемпературную,
высокотемпературную.

Еще один параметр, по которому различают теплонасосные установки, связан с их техническим устройством. По этому показателю оборудование делится на такие типы, как:

абсорбционный,
парокомпрессионный.

Как правило, все тепловые насосы, независимо от их разновидности, работают с электрической энергией, однако в определенных случаях их можно переключить и на другие виды энергии, используя разнообразное топливо. По специфике этого топлива и работы самого оборудования теплонасосные установки подразделяются на такие разновидности:

прибор для отопления, использующий тепло от грунтовых вод,
насос для горячего водоснабжения, работающий с теплом, получаемым из естественных водоемов,
установка-кондиционер, работающая на морской воде,
установка-кондиционер, использующая наружный воздух,
насос для нагрева воды в плавательных бассейнах, работающая на наружном воздухе,
теплонасосная установка для системы теплоснабжения, утилизирующая тепло, выделяемое инженерно-техническим оборудованием,
прибор, работающий на молоке - он служит для охлаждения молока и последующего горячего водоснабжения и используется на молочных фермах,
установка для утилизации тепла, получаемого в результате технологических процессов, - служит для подогрева приточного воздуха.

Также встречаются и другие виды такого оборудования. При этом, как правило, тепловые насосы любого типа выпускаются серийно, однако отдельные уникальные установки могут изготавливаться по эксклюзивным проектам. Также можно найти экспериментальные тепловые насосы, множество еще не претворенных в жизнь чертежей и опытно-промышленные образцы такой техники, которые тоже могут быть использованы в каком-либо специальном помещении.

Все теплонасосные установки можно объединять в единую систему. Это необходимо, если на одном объекте работает несколько единиц такого оборудования, производящих как тепло, так и холод. Объединение их воедино только увеличит их эффективность, и на средних или крупных объектах рекомендуют сразу планировать создание подобного комплексного оборудования.

Что такое кольцевые системы кондиционирования?

Такая система комплектуется на основе тепловых насосов разных типов, хотя обычно для этих целей используется установка типа воздух-воздух. Тепловой насос в этом случае служит, как кондиционер: он устанавливается непосредственно в охлаждаемом помещении, а мощность такой техники подбирается в соответствии с рядом параметров. Среди них:

характеристики самой комнаты,
назначение помещения,
количество людей, которые в нем находятся,
оборудование, которое в нем установлено или будет устанавливаться.

Установки, предназначенные для кондиционирования воздуха, всегда являются реверсивными - они одновременно и охлаждают, и выделяют тепло. Связывает их общий водяной контур - трубопровод, по которому циркулирует вода, являясь как источником, так и приемником тепла. В итоге температура внутри контура может колебаться в пределах 18-32 градусов, и именно через него между тепловыми насосами, нагревающими воздух, и между оборудованием, охлаждающим его, происходит обмен теплом. Если в разных помещениях нужно создать климат с разными характеристиками, тепловые насосы просто переносят тепло из комнат, которые имеют его избыток, в помещения, где тепла не хватает. Это позволяет создать кольцевой обмен теплом между различными зонами, и такая система является очень эффективной и экономичной.

При этом кольцевые системы могут иметь в своем составе не только кондиционирующее оборудование, но и другие установки. В частности, такие приборы могут утилизировать бросовое тепло. Это требуется там, где имеются довольно большие потребности в тепле, например:

на объектах, где имеется интенсивный поток сточных вод : теплонасосная установка типа вода-вода сможет легко утилизировать тепло, исходящее от него, и направить его при помощи кольцевого контура на обогрев помещений;
на объектах с вытяжной вентиляцией, удаляющей воздух из здания (при условии, что в воздухе не будет слишком большого количества примесей, которые затруднили бы работу теплового насоса): в этом случае понадобится установка типа воздух-вода, которая будет утилизировать тепло из «ненужного» воздуха и передавать его для обогрева помещения или нагрева воды,
на объектах, где есть и сточные воды, и вытяжная вентиляция - на них кольцевые системы можно использовать для удаления лишнего тепла из водяного контура (обычно это делается только в теплое время года), что снизит мощность градирни.

В любой ситуации кольцевая система позволяет использовать тепло многократно и отправлять его на нужды абсолютно всех потребителей, находящих в здании, и именно в этом заключается ее уникальность, ведь традиционные рекуператоры и регенераторы на такое не способны . Более того, такая система более эффективно утилизирует тепло, поскольку ее работа никак не зависит от температуры воздуха, который забирается приточной вентиляцией, и от заданной температуры воздуха, который поступает в помещения.

Летом кольцевая система, работающая на основе теплонасосной установки типа вода-вода, способна эффективно удалять излишки тепла из водяного контура, утилизируя их через потребителей: избыточное тепло подается в систему горячего водоснабжения, и его обычно достаточно для того, чтобы удовлетворить все потребности обитателей любого помещения в горячей воде . Особенно эффективной такая система будет на объектах с несколькими плавательными бассейнами (дома отдыха, отели, оздоровительные центры) - с ее помощью нагревать воду в бассейнах можно будет очень быстро и без лишних затрат.

Сочетается ли кольцевая система с другими системами оборудования?

Безусловно, да, и прежде всего она должна быть согласована с системой вентиляции. Последнюю, в частности, нужно разрабатывать с учетом всех характеристик теплонасосного оборудования, которое будет кондиционировать воздух. В частности, вентиляционной системе необходимо обязательно обеспечить рециркуляцию воздуха в объемах, необходимых для стабильной работы насоса, эффективной утилизации тепла и поддержания в помещении заданной температуры. Этому правилу нужно следовать на всех объектах, за исключением некоторых, в которых рециркуляция нежелательна - например, в плавательных бассейнах или на кухнях.

При этом плюсом согласования кольцевой системы с системой вентиляции является то, что последняя в этом случае может быть построена по более простой схеме , которая обойдется потребителю дешевле. При этом тепловой насос будет охлаждать воздух непосредственно там, где это понадобится. Это избавит потребителя от необходимости транспортировать его по длинным теплоизолированным воздуховодам и будет выгодно отличать такую систему от распространенного ныне централизованного кондиционирования.

Кроме того, кольцевые системы могут координироваться с отопительными, а иногда даже полностью брать на себя их функции. В таких ситуациях система отопления, построенная на базе теплового насоса, становится менее мощной и более простой с точки зрения своего оборудования. Это делает ее особенно эффективной в холодном климате, где для отопления требуется больше тепла, получаемого из высокопотенциальных источников. Более того, кольцевая система способна серьезно оптимизировать работу всего оборудования в помещении . Работающие отдельно системы кондиционирования и отопления могут друг другу серьезно мешать, особенно тогда, когда не требуется и та, и другая. Кольцевая же система полностью исключает такую ситуацию, поскольку она всегда эффективно работает, основываясь на фактическом состоянии микроклимата, созданного в каждом конкретном помещении. При этом на предприятии такое оборудование может охлаждать и нагревать не только воздух, но еще и воду, и этот процесс не потребует лишних затрат энергии - он будет включен в баланс всего теплоснабжения в целом.

И, конечно же, в любой из этих ситуаций кольцевая система продемонстрирует великолепную экономичность. В традиционных системах тепло используется лишь частично и быстро уходит в атмосферу, если отопление работает параллельно с вентиляцией, однако кольцевая решает эту проблему комплексно, делая утилизацию тепла более эффективной и существенно сокращая его потери.

Как управлять теплонасосными системами?

Как правило, это оборудование не требует установки дорогостоящих средств автоматизированного управления, и это является еще одной «статьей» для экономии на нем . Удобная автоматизация здесь предельно проста и сводится только лишь к поддержанию заданной температуры воды, находящейся в контуре. Для этого система просто вовремя включает дополнительный нагреватель, чтобы вода не охладилась более, чем положено, или же задействует градирню, чтобы она не нагрелась сильнее, чем нужно. И этого обычно бывает достаточно для поддержания идеального климата.

Реализовать автоматическое управление в этой ситуации можно при помощи всего нескольких термостатов. Более того, для этого не понадобится даже точной регулирующей арматуры! Температура воды в контуре кольцевой системы может меняться в широком диапазоне, не требуя никаких дополнительных средств для этого.

Кроме того, отдельная система автоматики регулирует и процесс передачи тепла тепловым насосом к потребителю. Она встраивается в само оборудование, и одним из основных элементов системы можно считать термостат (датчик температуры), который устанавливается непосредственно в помещении. Его одного бывает достаточно, чтобы полноценно управлять работой теплонасосной установки. При этом сам насос способен обеспечить все необходимые характеристики температуры воздуха в помещении без установки в системе вентиляции регулирующих заслонок, а в системе отопления - регулирующей арматуры. Это позволяет еще сильнее уменьшить стоимость кольцевой системы и увеличить надежность всех инженерных коммуникаций здания в целом.

Вообще сложная система автоматизированного управления может понадобиться только на крупных объектах, где установлено множество тепловых насосов различных типов, предназначенных для кондиционирования воздуха, обеспечения технологических процессов и утилизации тепла. И в таких ситуациях монтаж этой системы имеет смысл, ведь она позволяет оптимизировать работу каждой единицы оборудования. Однако монтируя ее, следует учитывать, что на эксплуатацию кольцевой системы влияет целый ряд факторов, с которыми должна «считаться» даже автоматика. Среди них :

температура воды, находящейся в контуре , - она влияет на коэффициент преобразования тепла (соотношение количества тепла, выдаваемого потребителю, к количеству энергии, потребляемой тепловым насосом);
температура воздуха снаружи помещения ;
параметры работы градирни - она может затрачивать разное количество энергии для одного и того же количества тепла, и это зависит от внешних условий, включая температуру воздух, наличие ветра и другие факторы;
количество тепловых насосов, которые работают в системе, а также их суммарная мощность (соотношение мощности оборудования, забирающего тепло из водяного контура и мощности установок, отдающих его в контур).

Существуют ли успешные примеры использования кольцевых систем?

Таких примеров достаточно много, однако «хрестоматийными» можно считать следующие два.

Первый - реконструкция общеобразовательной школы № 2 в г. Усть-Лабинске. В этом здании были соблюдены все строжайшие санитарные требования, чтобы добиться максимального комфорта для детей, которые будут учиться в этом заведении . В соответствии с этими требованиями там была установлена особая климатическая система, которая способна посезонно контролировать температуру, влажность и приток свежего воздуха. При этом инженеры сделали все возможное, чтобы в каждом классе был индивидуальный контроль за микроклиматом, и справиться с обеспечением такого контроля могла только кольцевая система. Она позволила:

существенно снизить затраты на отопление всего здания,
решить проблему холодной воды в теплоцентрали, расположенной на школьном участке.

Система была собрана более чем из 50 тепловых насосов марки Climatemaster (США) и одной градирни . Дополнительное тепло она получает из теплоцентрали, а управляет ею автоматика, которая самостоятельно поддерживает комфортные условия для обучения детей и при этом работает максимально экономично. Именно благодаря ей эксплуатация кольцевой системы даже в самое суровое зимнее время позволила снизить ежемесячные затраты на отопление до 9,8 тыс. рублей: до модернизации системы каждый месяц школа тратила 18 тыс. 440 рублей на обогрев 2,5 тыс. кв. м. И это при том, что после модернизации дополнительно увеличилась отапливаемая площадь школы, которая составила 3 тыс. кв. м.

Второй проект был реализован в коттеджных поселках Подмосковья. Проблемы строительства таких поселков часто были обусловлены тем, что инфраструктура на этих территориях не позволяла строить новые дома, поскольку ни водопроводы, ни электрические сети, ни трансформаторные подстанции попросту не справлялись с выросшими нагрузками . При этом на старых подстанциях постоянно случались перебои с подачей энергии, обрывы старых проводов, различные аварии, поэтому в поселках, расположенных на таких территориях, нужно было сразу заботиться об автономном энергоснабжении.

Соответственно, инженерам нужно было создать проект, который позволял бы обеспечивать двухэтажный коттедж, имеющий несколько комнат электричеством и теплом. Стандартная площадь такого дома составила 200 кв. м, а подведены к нему были только электричество и артезианская вода, других коммуникаций не было.

Первый шаг инженеры сделали в направлении энергоэффективности - в коттедже были установлены солнечные батареи, а за домом были установлены фотоэлектрические модули, также работающие от энергии солнца и имеющие мощность в 3,5 кВт. Этой мощности было достаточно для подпитки аккумуляторных батарей, которые впоследствии питали сам дом и его систему отопления. Соответственно, электроэнергия для семьи, проживающей в таком коттедже, была бесплатной, а это значит, что из семейного бюджета расходы на нее можно было вычеркнуть. В итоге затраты на установку батарей должны окупиться менее, чем за 10 лет, и после этого никаких средств выделять будет не нужно.

Для отопления же коттеджа использовалась геотермальная теплонасосная установка, основанная на насосе типа вода-вода. Он был предназначен не только для обогрева помещений при помощи радиаторных батарей, но и для производства горячей воды. Контур, который поставляет к насосу низкопотенциальное тепло, - то есть обычную полиэтиленовую трубу длиной 800 м и диаметром 32 мм, - проложили на самом участке (на глубине 2 метра). На установку такой системы (электроснабжение + отопление) было затрачено 40 тыс. долларов, и, учитывая, что в будущем хозяину не придется тратиться на оплату коммунальных услуг, поставляемых централизовано, он от этого только выиграл.

Где можно применять кольцевые системы?

В целом, все примеры демонстрируют, что подобные теплонасосные установки могут быть смонтированы на самых разных объектах. Среди основных можно выделить:

административные здания,
медицинские и оздоровительные учреждения,
общественные здания,
учреждения образования,
дома отдыха и отели,
спортивные комплексы,
промышленные предприятия,
развлекательные учреждения.

При этом в любом варианте гибкая кольцевая система может быть легко подстроена под нужды конкретного помещения и смонтирована в величайшем многообразии вариантов.

Чтобы установить ее, инженерам понадобится учесть ряд нюансов:

потребности в холоде и тепле на конкретном объекте,
количество людей, которые находятся внутри помещений,
возможные источники тепла в здании,
возможные приемники тепла,
особенности теплопотерь и теплопритоков.

После этого самые лучшие источники тепла будут использованы в самой системе, а общая мощность тепловых насосов при этом должна быть настроена так, чтобы не быть избыточной.

В целом же, идеальным вариантом для любого объекта специалисты считают установку теплонасосного оборудования, которые используют окружающую среду и в качестве источника тепла, и в качестве его приемника. При этом всю систему следует сбалансировать по теплу, независимо от мощностей источников и приемников тепла - они могут быть разными, ведь их соотношение изменяется, когда меняются условия работы системы. Однако они должны быть согласованы друг с другом.

Если эти параметры учтены верно, кольцевая система будет эффективно работать и на обогрев, и на охлаждение, утилизируя все «лишнее» тепло. А использование одной такой системы вместо нескольких позволит не только создать идеальный климат в помещении, но и будет очень эффективным и выгодным и с точки зрения капитальных, и с точки зрения эксплуатационных затрат.

Теплонасосные агрегаты и установки следует рассматривать как устройства, осуществляющие полный цикл циркуляции хладагента и приборы регулирования, включающих в себя привод. Причем в теплонасосных агрегатов относятся компактные, готовые к работе блоки, а в теплонасосных установок - комплексы, состоящие из нескольких отдельных устройств или блоков. В зависимости от вида нагрузки со стороны источника и приемника тепловые насосы можно классифицировать в соответствии с табл. 1.2.

Установлено, что благодаря одинаковому термодинамическому круговом цикла холодильных установок и тепловых насосов и незначительном расхождении температурных интервалов оборудования тепловые насосы следует подбирать непосредственно из ассортимента, который применяется для холодильного оборудования с некоторыми модификациями, и только в некоторых случаях требуется разработка специальных узлов.

Таблица 1.2.

Термоэлектрические тепловые насосы не получили до сих пор распространение через низкий коэффициент преобразования.

Компрессионные теплонасосные установки

К ТН малой мощности относятся небольшие водоподогреватели и и оконные кондиционеры, включающих в себя тепловые насосы. В целом тепловые насосы, предназначенные преимущественно для производства тепла при мощности 2 ... 3 кВт, не могут конкурировать с простыми электронагревательными устройствами (с нагревателем электроопору) через высокие удельные расходы. Только агрегаты, предназначенные в основном для производства холода и выработки теплоты, благодаря возможности простого переключения имеют практическое значение. Это, в частности, оконные кондиционеры с переключением (рис. 1.29).

Такие агрегаты, как правило, состоят из холодильной машины с герметичным корпусом, испарителя и конденсатора с принудительной циркуляцией воздуха. С помощью четырехходовой вентиля они могут переключаться на режим теплового насоса, то есть осуществлять отопление помещений. Каждый вентилятор имеет устройство для переключения работы испарителя на конденсатор, и на перемещение внутреннего и наружного воздуха.

Рис. 1.29. А - схема коммуникаций; б - схема включения кондиционера; в - схема включения теплового насоса; / -конденсатор; // - Дроссель; Ш компрессор; IV- испаритель

Тепловая мощность составляет 1,5 ... 4,5 кВт. Коэффициент преобразования при температуре помещения 21 ° С и внешней 7,5 ° С редко превышает 2.

Часть кондиционеров большой мощности, предназначенных для общих промышленных зданий, также выполняется с переключением на работу по схеме теплового насоса.

Компрессионные тепловые насосы также могут работать с приводом от тепловых двигателей. В этом случае весь агрегат состоит из компрессионного теплового насоса и теплового двигателя. Преобразования химической энергии топлива в теплоту происходит непосредственно внутри теплового двигателя (например, двигателя Стирлинга). В двигателе согласно термодинамического кругового цикла часть теплоты переходит в механическую энергию, которая приводит в действие собственный компрессионный тепловой насос, благодаря чему увеличивается полезный температурный уровень низкотемпературного окружающей среды или отработанной теплоты. Отработанная теплота двигателя также может быть использована. Теплообменник отработанной теплоты в зависимости от температурных условий подключается параллельно или последовательно конденсатора компрессионного теплового насоса или тепло подводится к специальным потребителей.

Как приводы в принципе могут быть использованы тепловые двигатели всех типов, однако наиболее удобные газовые и дизельные двигатели, потому что они работают на природном газе и нефти - высококачественных носителях первичной энергии, применяемых для отопления. Полученная теплота с помощью такой системы отопления с двигателем может сократить расход первичной энергии примерно вдвое по сравнению с обычным способом получения тепла при сжигании топлива.

Можно достичь коэффициента преобразования, равного 1,8 ... 1,9.

Абсорбционные теплонасосные установки

По степени агрегатирования АПТ разделяются на агрегатирован (с конструктивным объединением всех элементов в один или несколько блоков) и неагрегатировани (с отдельно выполненным элементами АПТ). К агрегатирован относятся бромистолитиеви АПТ.

В зависимости от схемы включения АПТ в технологические процессы различных производств их можно разделить на автономные, не зависящие от схемы технологического процесса, и встроенные - с объединением части цикла АПТ с технологическим процессом.

Число абсорбционных тепловых насосов, выпускаемых до сих пор, небогатое, но уже достигнуты высокие коэффициенты трансформации. При этом абсорбционные тепловые насосы могут более полно отвечать специальным условиям источников тепла и приводной энергии, чем компрессионные.

В Германии, например, выпускаются абсорбционные тепловые насосы с тепловой мощностью 1 ... 3 МВт. Коэффициент трансформации зависит от рабочей температуры и температуры испарения. Для малых установок нельзя достичь высоких показателей (С, < 1,5). В разных странах проводятся работы по совершенствованию малых абсорбционных тепловых насосов.

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.

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.

№	Наименование	Размерность	Тип ТНУ
№	Наименование	Размерность	ТНУ-1 на фреоне	ТНУ-2 на водяном паре
1	Температура низкотемпературного источника	°С	10	35
2	Температура к потребителю	°С	35	45-55
3	Q-гну (единичная)	МВт	10	6-7
4	Q ТНУ для ГВС, суммарная Q утилизации тепла с выхода ГГУ* Q суммарная к потребителю	МВт	2500 -450 -2950	2500 -370 -2870
5	кТНУ	-	5,5	6,8
6	Суммарная мощность ГТД на привод компрессоров	МВт	-455	-368
7	Суммарный расход ПГ на ГТД компрессора	τ у.т./ч	140	113
8	Q топлива на ГТД	МВт	1138	920
9	КИТ	-	2,59	3,12
10	Удельная стоимость сооружения ТНУ с ГТД приводом	долл. США/кВт тыс. долл. США/Гкал	220 256	200 232
11	Суммарные капитальные затраты	млн долл. США	-649	-574
12	Число часов использования в году	ч	5000
13	Затраты в год, из них: - топливо (1230 руб./т у.т.); - амортизационные отчисления (6,7%/год); - прочие (обслуживание, ФЗП и др.).	млн руб.	2450 862 1218 370	2070 695 1075 300
14	Стоимость всего объема вырабатываемой ТЭ в год (400 руб./Гкал или 344 руб./МВтч)	млн руб.	5070	4936
15	Себестоимость ТЭ	руб./Гкал	193	168
16	Прибыль в год	млн руб. млн долл. США	2620 -94	2866 -102
17	Срок окупаемости (с возвратом амортизационных отчислений)	в годах	-4,7	-4,1

* - 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.

Что еще почитать

Постные блюда от батюшки гермогена – Отец Гермоген, расскажите о самой Масленице. – Последняя неделя перед Великим постом называется сырной неделей или...

Группа Die Antwoord - состав, фото, клипы, слушать песни Die antwoord перевод названия Такого грубого и жестокого. Просто без ума от меняОх, я люблю моего гадкого мальчика, Такого грубого и жестокого. Не...

Группа брекстон. Биография тони брекстон. Тони Брекстон сейчас Известная американская певица и композитор Тони Брекстон росла в многодетной семье священника, в которой является самой...