Применение тепловых насосв за рубежем

Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности в США, где требуется круглогодичное кондиционирование: охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, решающий обе задачи, выпускается уже более 30 лет и является экономичным и надежным.
В Европе, где климатические условия таковы, что, по крайней мере, для индивидуальных зданий круглогодичное кондиционирование не нужно, более перспективной системой является одноцелевой тепловой насос. В сравнении с обычными системами центрального отопления его стоимость и эксплуатационные расходы находятся на приемлемом уровне.
Тепловой насос может использовать различные источники низкопотенциального тепла, отдавая его в конденсаторе при повышенной температуре потоку газа, жидкости или тепловому аккумулятору, жидкому или твердому. В большинстве случаев используется водяная система центрального отопления, в которой горячая вода циркулирует к радиаторам в каждой комнате, или воздушная система отопления, в которой нагретый воздух подается к каждой комнате по каналам. Широко применяются такие комнатные нагреватели: радиаторы, аккумуляционные установки и конвекторы как дополнительные источники тепла. Температура в системах распределениятепла изменяется от 40 для воздушных систем до 100° С для водяных или паровых систем. Типичная температура воды около 75° С.
Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от температуры конденсации, для тепловых насосов желательно снижение температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например с помощью панелей в полах, станет пригодной температура 50° С. Повышение расхода циркулирующего воздуха позволяет снизить его температуру до 35°С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях сможет радикально изменить отношение к тепловым насосам.
Системы центрального отопления обычного типа с котельными внутри здания обеспечивают и все домашнее горячее водоснабжение. Это обстоятельство следует учитывать при конструировании тепловых насосов. Однако отопление требует больших затрат энергии, чем горячее водоснабжение, и, например, в Англии они соотносятся как 60-65 и 20% [1].
В Англии и других европейских странах наиболее распространена водяная система отопления, но там, где требуется круглогодичное кондиционирование, применяется распределение нагретого или охлажденного воздуха. Воздушная система хороша для вновь строящихся зданий, но при реконструкции она сложнее, чем водяная, где используются трубы небольшого диаметра для подачи воды от котла. Воздушная система требует каналов большого сечения, которые трудно устанавливать в существующих зданиях.
Как отопительное устройство тепловой насос не обязательно должен служить централизованной системой, обслуживающей несколько комнат. Вполне могут быть установлены индивидуальные кондиционеры в каждой комнате со своим компрессором и конденсатором, внешним или внутренним источником тепла для испарителя. В общем, тепловые насосы способны конкурировать с большинством обычных систем отопления и кондиционирования.
Помимо отопления и кондиционирования важной функцией теплового насоса, определяющей его применимость, является горячее водоснабжение.
В большинстве отчетов об исследованиях роли тепловых насосов в будущем основным считается отопление, но одновременно отмечается, что горячее водоснабжение и восстановление тепла становятся все более важными по мере роста тенденции к строительству малоэнергоемких домов и “полностью интегрированных систем”, основанных на тепловых насосах.
Однако при этом выпадает из виду основная проблема - применение тепловых насосов в уже существующих зданиях, проблема замены одной установки, дающей одновременно и горячее водоснабжение (центральной котельной), тепловым насосом, способным также одновременно решать обе задачи. Эта проблема связана с экономичностью использования низкотемпературного внешнего теплового источника для получения горячей воды высокой температуры.
Высокая стоимость электроэнергии препятствует её применению в широких масштабах для нагрева, и во многих случаях отопительная система включает тандем - тепловой насос и котёл на органическом топливе. При этом ТН даёт воду, нагретую до необходимой температуры.

Выводы

Потенциальные ресурсы возобновляемых источников энергии составляют существенную долю потребностей человечества в энергетике. Мировое потребление этих источников на сегодняшний день составляет лишь ничтожную долю. Это объясняется в первую очередь тем, что в силу низкой концентрации НВИЭ и их неравномерного распределения по поверхности Земли удельные затраты на единицу мощности и стоимость энергии при современных технологиях очень велики, не могут конкурировать с традиционными источниками энергии.

Использование низкопотенциальных источников энергии для целей теплоснабжения является направлением энергетики.

Перспективными энергетическими установками, использующими низкопотенциальные энергии, являются теплонасосы, в том числе и компании с другими преобразователями низкотемпературной энергии - солнечными батареями, ветроэнами и т.д.

Внедрение тепловых насосов позволяет снизить расходы топлива на единицу выработанной теплоты по сравнению с котельными от 20 до 50% либо обеспечить 3-4-кратную экономию электроэнергии по сравнению с прямым электроснабжением. Источники энергии для ТНУ находятся “непосредственно” у потребителей, что сокращает потери при передаче и сокращает расходы на содержание и строительство теплотрасс и т.п. Время возможной работы ТНУ совпадает со временем потребности потребителями в энергии.

Большинство рассмотренных в данной работе проектов разработаны и внедряются за рубежом, в то время как в нашей стране всё ограничилось несколькими демонстрационными проектами и предложениями, по большей части основанными на практически единственной ТНУ АТНУ-10 производства “Экомаш” (г. Саратов). Совершенно необходимо развивать работы в этом направлении с целью создания конструкций иного ряда современных ТНУ различного назначения

Экономические и экологические аспекты использования энергоустановок на базе тепловых насосов

Стоимость теплонасосной станции (ТНС) мощностью от 100 до 10000 кВт в странах Западной Европы составляет 600-700 долл/кВт, в то время как стоимость теплонасосов АО "Энергия" в том же диапазоне мощностей при приблизительно равной энергетической эффективности и сдаче объекта "под ключ" составляет 600-700 тыс. руб/кВт. Снижение себестоимости тепла, производимого на ТНС, по сравнению с традиционным теплоснабжением составило от 1,5 до 2,5 раз в зависимости от температуры низкопотенциального источника, а общая экономия топлива от всех запущенных в эксплуатацию ТНС составила около 32 тыс. т. у. т. Срок окупаемости у большинства ТНС не превышает двух лет [185].

Опыт эксплуатации ТНС в России показал, что из-за большей продолжительности отопительного периода по сравнению, например, с Западной Европой, а также значительно более острой проблемы транспорта топлива экономическая эффективность применения ТНС в России больше, чем в других странах.

Доказана возможность применения озонобезопасных фреонов, в частности фреона 142 (R-142 в). Так, в Каунасе работает ТНС с винтовым компрессором единичной мощностью 2 МВт с рабочим телом R-142, хотя термодинамические свойства этого фреона потребовали неординарных решений при создании ТНС с винтовым компрессором [185].

Принимая удельный расход на выработку 1кВт*ч электроэнергии равным 300 г у.т., нетрудно, дать сравнительную оценку вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных теплоисточников тепловой мощностью 1,16 МВт (см. табл. 2.1.1.) [185]. Табл. 2.1.1.

Вредные выбросы при использовании теплового насоса - это выбросы в месте производства электроэнергии (за источник электроэнергии принята ТЭС); непосредственно же на месте установки тепловых насосов вредных выбросов нет. Такая ситуация наиболее благоприятна для рекреационных зон. Так, котельная на угле тепловой мощностью 1,16 МВт (1 Гкал/ч), работающая в курортной зоне Алтая - Белокурихе, за отопительный сезон (4880 ч) выбрасывает не менее 31 т вредных веществ. Тепловые насосы общей тепловой мощностью 1,2 МВт, установленные в радонолечебнице на сбросном тепле использованных радоновых вод с температурой 32’С, имеют среднегодовой коэффициент преобразования 7,2 и в самой Белокурихе вредных выбросов не производят. На ТЭС, расположенной в 70 км от курорта, вредные выбросы при производстве необходимой для этой ТНС электроэнергии в пересчете на 4,18 ГДж (1 Гкал) вырабатываемого ею тепла составят за отопительный сезон всего 4,31 т.

Ниже приведены среднегодовые коэффициенты преобразования теплонасосных установок для Западно-Сибирского региона (отопительный период 5448 ч) в зависимости от температуры низкопотенциального источника:

температура

низкопотенциального

источника,

° С.............................5 10 15 20 25 30 35 40

КОП среднегодовой ....3,6 4,1 4,6 5,3 5,9 6.6 , 7,2 7,9

При одинаковой теплопроизводительности, например 1 Гкал/ч (1,16 МВт), удельная экономия топлива при использовании ТНС составит по сравнению: с электроотоплением 0,277 - 0,335 т у.т.; с котельной на каменном угле (КПД = 0.65) 0,113 - 0,121 т у.т.; с котельной на природном газе (КПД = 0,8) 0,072-0,130 т у.т., где первое значение относится к использованию в теплонасосе низкопотенциального источника тепла с температурой 5° С, второе - с температурой 40° С [185].