|
Тепловые насосы
Будем качать тепло?
Александр Данилов
Сегодня энергосберегающие технологии
становятся не просто популярными, но жизненно необходимыми. В
детстве нам любили рассказывать о неисчерпаемых богатствах
полезных ископаемых нашей Родины, что нефти газа угля и леса у
нас больше, чем в любой другой стране. Нам говорили, что
бережное отношение к природным ресурсам позволит многим
поколениям пользоваться теплом, электричеством и горячей водой.
А между тем ныне многие регионы России уже испытывают острую
нужду в тепле и в электричестве. Альтернативные источники
получения тепла не рассматривались именно из-за богатства
природных ресурсов, и теперь нам приходится обращаться к опыту
европейских стран, не избалованных милостями природы.
Теплоснабжение в условиях России с ее долгими и достаточно
суровыми зимами требует больших затрат топлива, превосходящих
почти вдвое затраты на электроснабжение. Основными недостатками
традиционных источников теплоснабжения являются низкая
энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая и
экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение — один
из основных источников загрязнения городов). Высокие
транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют
негативные факторы теплоснабжения. Нельзя не учитывать и такой
серьезный термодинамический недостаток, как низкий
энергетический КПД использования химической энергии топлива для
теплоснабжения, составляющий в системах отопления 6-10%.
Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети — вероятно, самый
ненадежный элемент в системах централизованного теплоснабжения.
Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм
составляет одну аварию в год на l км длины, а для труб меньшего
диаметра — около шести аварий. Если учесть, что общая
протяженность тепловых сетей в России доставляет 650 000 км, а в
полной замене нуждаются 300 000 км, становится очевидным, что
строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии
требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных
котельных. А могут ли помочь нетрадиционные методы
теплоснабжения?
Одним из них — полезное использование рассеянного
низкотемпературного (5-30° C) природного тепла или сбросного
промышленного тепла с последующим использованием тепловых
насосов.
Тепловые насосы избавлены от большинства перечисленных
недостатков централизованного теплоснабжения широко применяются
за рубежом. Если в 1980 г. в США работало около 3 млн.
теплонасосных установок, в Японии — 0,5 млн., в Западной Европе
— 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих
теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12
млн., а ежегодный выпуск составил более 1 млн. единиц. Массовое
производство этих насосов налажено во всех развитых странах. По
прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. в
передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения
тепловыми насосами составит 75%.
Использование тепловых насосов для отопления, горячего
водоснабжения и т.п. представляет собой альтернативу сжиганию
органического топлива, центральному паровому или водяному
отоплению, электрообогреву и др. Это машина, которая поглощает
низкопотенциальную теплоту из окружающей среды и передает ее в
систему теплоснабжения потребителю в виде нагретой воды или
воздуха. Характерная особенность теплового насоса: при подводе к
нему, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима
работы и условий эксплуатации возможно получение до 3-4 кВт
тепловой энергии. Эффективность теплового насоса характеризует
его коэффициент преобразования — отношение тепла в кВт,
полученного в насосе к затратам мощности на привод насоса. Этот
коэффициент варьируется от 2 до 4. Номенклатура выпускаемого
заводом холодильного оборудования служит основой, на которой
построено производство тепловых насосов.
Приведенный пример использования тепловых насосов — это только
одна из возможных схем их применения. Источником
низкопотенциальной теплоты могут быть: наружный воздух, вода
рек, озер, морей, подземные воды, грунтовое тепло, солнечная
энергия, а также низкопотенциальная теплота искусственного
происхождения: сбросные воды, нагретые продукты технологических
процессов, вытяжной воздух системы вентиляции.
Принцип работы теплового насоса вытекает из работ и описания
цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г.
Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (лорд
Кельвин) в 1852 г. под названием “умножитель тепла”. Она
показывала, как холодильную машину эффективно использовать для
отопления. Томсон указывал, что ограниченность энергоресурсов не
позволит непрерывно сжигать топливо в отопительных печах, а его
умножитель тепла будет потреблять топлива меньше. Тепловой насос
Томсона (ТН) использовал воздух в качестве рабочего тела: он
засасывался в цилиндр, расширялся, охлаждаясь от этого, а затем
проходил теплообменник, где нагревался воздухом наружным. После
сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступал в
обогреваемое помещение нагретым до температуры выше окружающей.
Подобная машина была построена в Швейцарии. Томсон заявил, что
его ТН способен давать необходимое тепло при использовании
только 3% энергии, затрачиваемой на отопление.
Дальнейшее развитие теплонасосные установки получили только в
20-30-х годах двадцатого века, когда в Англии была создана
первая установка для отопления и горячего водоснабжения с
использованием тепла окружающего воздуха. Затем несколько
демонстрационных установок создали в США. Первую крупную
теплонасосную установку в Европе ввели в действие в Цюрихе в
1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды,
ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление
ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась
система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия
пиковой нагрузки. Летом установка работала на охлаждение. С 1939
по 1945 гг. было создано ещё 9 подобных установок, чтобы
сократить потребление угля, некоторые из них успешно проработали
более 30 лет.
Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл
для описания процесса, и этот цикл остаётся фундаментальной
основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН. Тепловой
насос можно рассматривать как обращённую тепловую машину,
которая получает тепло от высокотемпературного источника и
сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу.
Теплонасос требует затраты работы для получения тепла при низкой
температуре и отдачи его при более высокой.
Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем
теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности, в
США, где требуется круглогодичное кондиционирование: охлаждение
в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос,
решающий обе задачи, выпускается уже более 30 лет, он экономичен
и надежен.
В Европе, где, по крайней мере, для индивидуальных зданий
круглогодичное кондиционирование не нужно, более перспективен
одноцелевой тепловой насос. В сравнении с обычными системами
центрального отопления его стоимость и эксплуатационные расходы
находятся на приемлемом уровне.
Тепловой насос может использовать различные источники
низкопотенциального тепла, отдавая его в конденсаторе при
повышенной температуре потоку газа, жидкости или тепловому
аккумулятору, жидкому или твердому. В большинстве случаев
используется водяная система центрального отопления, в которой
горячая вода циркулирует к радиаторам в каждой комнате, или
воздушная, где нагретый воздух подается к каждой комнате по
каналам. Широко применяются комнатные радиаторы, аккумуляционные
установки и конвекторы как дополнительные источники тепла.
Температура в системах распределения тепла изменяется от 40 для
воздушных систем до 100° С для водяных или паровых систем.
Типичная температура воды — около 75° С.
Поскольку эффективность насоса зависит от температуры
конденсации, для него желательно снижение температуры
распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности
теплообмена, например, с помощью панелей в полах, приемлема
температура 50° С. Повышение расхода циркулирующего воздуха
снизит его температуру до 35° С. Практическая реализация этих
тенденций в новых зданиях может радикально изменить отношение к
теплонасосам. Системы центрального отопления обычного типа с
котельными внутри здания обеспечивают и все домашнее горячее
водоснабжение. Это следует учитывать при конструировании
тепловых насосов. Однако отопление требует больших затрат
энергии, чем горячее водоснабжение — например, в Англии они
соотносятся как 60-65% и 20%.
В Европе наиболее распространена водяная система отопления, но
там, где требуется круглогодичное кондиционирование, применяется
распределение нагретого или охлажденного воздуха. Воздушная
система хороша для строящихся зданий, но при реконструкции она
сложнее водяной с трубами небольшого диаметра. Воздушная система
требует каналов большого сечения, а их сложно устанавливать в
существующих зданиях.
Как отопительное устройство, теплонасос не обязательно должен
служить централизованной системой на несколько комнат. Можно
установить индивидуальный кондиционер в каждой комнате со своим
компрессором и конденсатором, внешним или внутренним источником
тепла для испарителя. В общем, тепловые насосы способны
конкурировать с большинством обычных систем отопления и
кондиционирования.
Важной функцией теплового насоса, определяющей его популярность,
является горячее водоснабжение. В большинстве исследований роли
теплонасосов в будущем основным считается отопление, но
отмечается, что горячее водоснабжение и восстановление тепла
становятся все более важными по мере роста строительству
малоэнергоемких домов и “полностью интегрированных систем”,
основанных на тепловых насосах.
Однако при этом выпадает основная проблема — применение тепловых
насосов в уже существующих зданиях, проблема замены одной
установки, дающей одновременно и горячее водоснабжение
(центральной котельной) теплонасосом, способным одновременно
решать обе задачи. Эта проблема связана с экономичностью
использования низкотемпературного внешнего теплового источника
для получения горячей воды высокой температуры.
Высокая стоимость электроэнергии препятствует её применению в
широких масштабах для нагрева, и часто отопительная система
включает тандем — тепловой насос и котёл на органическом
топливе. При этом насос даёт воду, нагретую до необходимой
температуры.
Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых
насосов по отношению к зарубежным, внедрение теплонасосов
встречает финансовые трудности. Не последнюю роль играют новизна
и непривычность этой техники для наших потребителей. Эти
проблемы преодолевались за рубежом путем предоставления на
несколько лет льгот предприятиям, внедряющим теплонасосные
установки. В большинстве стран Западной Европы на прибыль,
получаемую от применения теплонасосов, устанавливался меньший
налог, а иногда были прямые финансовые дотации. Австрийским
фирмам, использующим тепловые насосы, установлена дотация до 100
тыс. шиллингов, а ФРГ в начале 90-х годов таким фирмам
предоставлялась налоговая скидка до 7,5% капитальных затрат (при
условии их капитализации), что равноценно дотации в размере до
20% затрат на теплонасосные установки. В итоге в Австрии сейчас
работают 105 000 тепловых насосных станций, дающих ежегодную
экономию 116 000 тонн мазута.
Таким образом, повсеместное внедрение тепловых насосов позволит
сэкономить значительную часть современных энергоносителей и
капиталовложений для их оплаты, обеспечить теплом “проблемные” в
этом отношении регионы, направить средства на развитие
производства или инфраструктуры предприятия. Применение таких
насосов в отдельных зданиях позволит регулировать теплорежим в
помещениях, делая его наиболее комфортным. Ведь Европа не зря
применяет тепловые насосы — может быть, и нам стоит обратить
внимание на столь полезный и выгодный опыт развитых стран?
Источник информации —
www.cwk.kazan.ru |
