Тепловые насосы как признак цивилизации

Мария Петрова

История энергосбережения

В 70-х ХХ в. во многих странах Европы наступил энергетический кризис. В эти годы европейская наука обращается к проблеме энергосбережения. Благодаря разработке тепловых насосов и запуску соответствующей государственной программы по энергосбережению в течение десяти лет в странах Европы энергетические затраты на производстве снижаются почти вдвое. Поскольку в России долгое время стоимость энергоресурсов была очень низкой, вопрос о производстве тепловых насосов не рассматривался вообще, поскольку удельные капитальные вложения в теплонасосную технику были значительно выше, чем другие, менее эффективные способы энергосбережения. В таких энергоемких отраслях, как металлургическое и нефтехимическое производство в окружающую среду сбрасываются такие объемы тепла, которые снабжали бы теплом значительную часть миллионного города. В нашей стране долгие годы в большинстве энергоемких производств были установлены теплообменники. В каждом цехе на крупном производстве были установлены тысячи теплообменных аппаратов. После резкого спада объема производств во время перестройки удельные энергозатраты возросли в несколько раз. С увеличением тарифов за тепло проблема энергосбережения стала остроактуальной. Но для экономии энергии нужны вложения. На данный момент у нас в стране существуют десятки технических разработок по экономии тепла, которые ждут своего часа, средств для внедрения. Мы все еще продолжаем загрязнять атмосферу токсичными выбросами котельных и «греть небо».

Тепловой насос — это устройство, позволяющее утилизировать для целей отопления и горячего водоснабжения низкопотенциальное (5–40.С) тепло сбросных и возобнавляемых источников. В качестве таких источников могут рассматриваться хозбытовые и промышленные сточные воды, вода рек, озер, тепло грунта и артезианских скважин. Практическое развитие получили два основных типа тепловых насосов: парокомпрессионные и абсорбционные. В испарителе парокомпрессионного насоса происходит передача тепла от низкопотенциального источника к жидкому хладону, который кипит, превращаясь в пар. Затем пары хладона сжимаются в компрессоре с повышением давления. В процессе сжатия к приводу компрессора извне подводится механическая или электрическая энергия. Конденсируясь, пары хладона передают тепло носителю системы отопления. После этого жидкий хладон попадает в испаритель с понижением давления и процесс повторяется. Этот рабочий процесс обеспечивает передачу больших количеств тепла при относительно небольших затратах энергии на привод компрессора.

Основные типы тепловых насосов
Тепловой насос (ТН) — это термодинамическая система, позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий. Данные машины предназначены для получения горячей воды и воздуха, пригодных для отопления и горячего водоснабжения. Необходимым условием для применения ТН является наличие низкотемпературного источника теплоты, непригодного по своим температурным параметрам для обогрева окружающей среды. В настоящее время в мире определилось два основных принципиальных направления в развитии ТН: парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) и абсорбционные тепловые насосы (АТН).

Парокомпрессионные тепловые насосы
По низкотемпературному источнику теплоты и нагреваемой среде ПТН делятся на типы «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух». По типу используемого компрессорного оборудования — на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессора — на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины. В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны — преимущественно фторсодержащие углеводороды, так называемые фреоны.

Тепловой насос НТ-60 совмещает в одном аппарате две функции, холодильной машины и теплового насоса. Теплопроизводительность — 60 кВт, потребляемая мощность — 15 кВт, температура воды на входе в испаритель — 15оС, расход воды в испарителе — 10 м³/ч, температура воды на выходе из конденсатора — 62оС, расход воды через конденсатор 10 м³/ч, холодильный агент R134а.

Тепловой насос НТ-400 предназначен для высокоэкономичного преобразования больших количеств низкопотенциального тепла (5-40оС) в тепло более высокого температурного потенциала (более 60оС). Каждый киловатт энергии, затраченной на электропривод ТН-400, позволяет получить 4 кВт тепла. Теплопроизводительность — 400 кВт, потребляемая мощность — 132 кВт, температура воды на входе в испаритель — 20оС, расход воды в испарителе — 30 м³/ч, температура воды на выходе из конденсатора — 60оС, расход воды через конденсатор 30 м³/ч, холодильный агент R134а.

Абсорбционные тепловые насосы
АТН делятся на два основных вида, водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных абсорбентом является вода, а хладагентом аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом вода. В мировой практике используют преимущественно солевые ТН. Процессы переносы теплоты совершаются с помощью совмещенных прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных ТН, в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл. По отечественной классификации абсорбционные бромисто-литиевые машины подразделяются на повышающие и понижающие (более распространенные) термотрансформаторы. По виду потребляемой высокотепературной теплоты АБТН подразделяется на машины с паровым (водяным) и с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.

По термодинамическому циклу АБТН бывают с одноступенчатой или двухступенчатой схемой регенерации раствора, а также двухступенчатой абсорбцией. Схема работы бромисто-литиевого теплового насоса такова. В трубное пространство испарителя подается низкотемпературная вода, где она охлаждается за счет кипения в вакууме и стекает в виде пленки по межтрубному пространству. Образовавшийся при этом пар абсорбируется (поглощается) водным раствором бромистого лития, стекающим по межтрубному пространству. При этом раствор нагревается и его теплота отводится водой, протекающей внутри труб абсорбера. Таким образом происходит перенос тепла с низкотемпературного уровня в испарителе на более высокий в абсорбере. Поглощая водяной пар, раствор бромистого лития становится слабым, снижается его концентрация. Для регенерации раствор подается через теплообменник в генератор, где он упаривается (концентрируется) за счет источника тепла или сжигаемого газообразного или жидкого топлива. Крепкий раствор подается в абсорбер через теплообменник. Полученный в генераторе пар направляется в межтрубное пространство конденсатора. Нагреваемая вода подается в абсорбер и конденсатор и отдается потребителю. Все процессы протекают под вакуумом.

Энергетическая эффективность ТН
Парокомпрессионные и абсорбционные ТН потребляют разные виды энергии: ПТН — механическую (электрическую), АТН — тепловую. Поэтому удельным показателем для сравнения может быть расход топлива на выработку теплоты. Такой подход правомерен, поскольку в России базовыми электростанциями являются тепловые. Коэффициент преобразования ПТН зависит в основном от величины перепада температур между нагреваемой и охлаждаемыми средами. Чем больше перепад, тем ниже эффективность ПТН. В зависимости от этого перепада в случае с АБТН применяют машины с разными типами регенерации раствора и схемой абсорбции. После расчетов целесообразности использования разных типов насосов в качестве автономного источника горячей воды, выяснилось, что ПТН с электроприводом от ТЭЦ при коэффициенте преобразования энергии 2,6–3 по сравнению с котлом экономию топлива не даёт. С приводом компрессора от двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины продуктов сгорания топлива и системы охлаждения двигателя дает значительную экономию уже при коэффициенте 1,5. Однако экономическая целесообразность применения данного типа ТН должна определяться на основе технико-экономических расчетов, т. к. удельные капиталозатраты на данный тип ТН в несколько раз выше затрат на котел. 

Применение ПТН с низким коэффициентом приводит к неоправданно высоким срокам окупаемости вложений. АБТН всех типов по сравнению с котлом умеют удельный расход топлива на 40–55% ниже, что означает эффективность использования топлива в АБТН в 1,7–2,2 раза выше, чем в котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25–30% ниже, чем в котле. Особо стоит рассмотреть эффективность ТН в составе ТЭЦ. В условиях существующих ТЭЦ часто возникает необходимость увеличения мощности теплофикационного отбора станции. Как правило, эту проблему решают установкой дополнительных «пиковых» котлов. Теплофикационную мощность станции можно существенно увеличить с помощью ТН без увеличения расхода топлива. При этом себестоимость дополнительной теплоты при существующих ценах на АБТН составляет 60–80 руб/Гкал, а срок окупаемости вложений не превышает 1–2 лет.

Объединение в рамках одной теплопроизводящей установки теплоисточника на привозном органическом топливе и теплового насоса на базе местных возобновляемых или сбросных источников низкопотенциального (5-40оС) тепла — это один из эффективных способов одновременного повышения надежности, сокращение потребления органического топлива и уменьшения загрязнения окружающей среды. Основным достоинством такой термокотельной является возможность покрытия относительно небольшими по мощности тепловыми насосами, работающими в базовом режиме, значительной части сезонной отопительной нагрузки около 88%. При совместной работе теплового насоса с электроприводом и котла можно снизить потребление угля и уровень вредных выбросов в атмосферу почти в десять раз.

АТТ: теория и практика
Несмотря на бурные дискуссии об актуальности проблемы энергосбережения и экологии, развитие абсорбционной теплонасосной техники в России находится в зачаточном состоянии. Причиной этого является не только недостаток средств, но и особенности нашей энергетики, а также климатические условия страны. Использование тепловых насосов представляет собой двухцелевую систему: выработка холода для систем кондиционирования и использование теплоты окружающего воздуха для отопления помещений. Этот класс машин не годится для температуры -20оС, обычной для наших широт, поэтому парокомпрессионные тепловые насосы нашли у нас более широкое применение. Шведский опыт показывает, что для выработки тепла на горячее водоснабжение и отопление можно использовать температуру воды +4.С. Но такое решение оптимально в случае, когда основным источником электроэнергии является ГЭС и АЭС. В большинстве регионов России основным источником энергии являются тепловая энергетика (ТЭЦ), поэтому использовать тепло морской воды с помощью парокомпрессионных электроприводных тепловых насосов экономически нецелесообразно — не происходит экономии топлива. Вот почему наиболее перспективным для российских широт является абсорбционный класс машин.

Абсорбционные технологии нашли широкое применение во всем мире в большей степени в качестве охладительного оборудования. Первые такие трансформаторы теплоты (АТТ) были разработаны в XIX веке. Несмотря на продолжительную историю АТТ, в ХХ веке основным холодильным оборудованием являлись парокомпрессионные холодильные машины с электрическим приводом. Бромисто-литиевые трасформаторы теплоты (АБТТ) стали альтернативой электроприводным охладителям. В 1999 году в мире было произведено около 12 тыс. единиц АБТТ средней и крупной мощности, а 2001 году их мировое производство достигло 15 тыс. единиц. Основной прирост приходится на Южную Корею и Китай. Такое широкое распространение производства АБТТ объясняется высокими потребительскими качествами: экологическая чистота, минимальное потребление энергии, бесшумность работы, длительный срок службы. Рабочим веществом АБТТ является вода, а абсорбентом — водный раствор соли бромида лития (нетоксичное, пожаробезопасное вещество). Все процессы в АБТТ протекают под вакуумом, что исключает попадание вещества на внешние теплоносители. Использование АБТТ позволяет экономить 180–200 кВт/ч электроэнергии на каждые 1000 кВт/ч произеденного холода. Поскольку хладагентом является вода, то машины этого типа не влияют на озоновый слой атмосферы и не создают парникового эффекта, как парокомпрессионные машины. Кроме этого имеется возможность одновременного нагрева разной воды, например, для горячего водоснабжения и отопления. Тепловые насосы типа АБТН-П и АБТН-Т могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения воды в технологических целях. Себестоимость дополнительной утилизируемой теплоты, получаемой в АБТН с паровым (водяным) обогревом, при существующих ценах на отечественные АБТТ составляет 65–85 руб/Гкалл в зависимости от конкретных условий размещения теплонасосной установки. Срок окупаемости такого энергоносителя составляет от 2 до 4 лет в зависимости от теплоты замещаемого источника. С ожидаемым ростом цен в России на энергоносители эффективность применения абсорбционных машин будет возрастать.

Эффективность каждого вида (абсорбционного и парокомпрессионного) теплонасосного оборудования зависит от конкретных условий объекта и требует точного технико-экономического анализа с учетом различных принципов работы оборудования, обуславливающих разные энергозатраты и разную себестоимость единицы получаемого тепла. В каждом отдельном случае следует рассчитывать конкретную экономическую и энергетическую выгоду, эксплуатационные затраты. Этот фактор — единственный и основной критерий при установке любого теплового оборудования.

Источник: http://sis.sibpressa.ru