Тепловые насосные установки. Установка теплонасоса для отопления частного дома: правила монтажа систем вода-вода, воздух-вода и грунт-вода

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.

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.

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

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

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

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

Какие тепловые насосы бывают?

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

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

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

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

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

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

Кольцевые системы кондиционирования воздуха

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

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

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

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

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

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

Сочетание кольцевых систем с другими системами

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

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

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

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

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

Автоматизированное управление кольцевыми системами

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

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

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

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

На работу кольцевой теплонасосной системы влияют следующие факторы:

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

Хорошо детям, хорошо бюджету

Перейдем к описанию проектов с использованием кольцевых теплонасосных систем.

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

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

Эксплуатация описанной системы в зимние месяцы дала следующие результаты:

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

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

Автономное тепло

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

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

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

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

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

Возможности применения кольцевых систем

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

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

Как противостоять опасности возгорания воздуховодов

За последнее время резко увеличилось количество пожаров и даже взрывов внутри воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования. Несмотря на то, что подобные пожары происходили всегда, изменения, произошедшие в последние время, стали причиной возникновения куда более крупных возгораний с участием большего числа людей.

Анализ перспективных систем теплоснабжения

В этом докладе рассмотрены вопросы, связанные с переходом систем централизованного теплоснабжения на децентрализованное. Рассмотрены положительные и отрицательные стороны обеих систем. Представлены результаты проведенного сопоставления этих систем.

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

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

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

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

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

6 - бак испарения; 7 - вода низкопотенциального источника энергии

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

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
			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.