Тепловые насосы, их назначение и основные типы

Тепловой насос — представляет собой устройство, позволяющее передать теплоту от более холодного тепла к более нагретому за счет использования дополнительной энергии (чаще всего — механической). Применение тепловых насосов — один из важных путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов.

Известно, что теплота низкого потенциала является продуктом технической деятельности человека, причем, чем ниже ее температурный уровень, тем больше этой теплоты безвозвратно теряется, рассеи­ваясь в окружающей среде. Примером носителей такой теплоты может служить нагретый воздух, ухо­дящий в атмосферу из систем вентиляции и кондиционирования, или теплые бытовые и промышленные сточные воды, имеющие температуру примерно 20 — 40 С. Очень часто единственным экономически оп­равданным способом утилизации теплоты таких вторичных энергетических ресурсов является примене­
ние тепловых насосов. Тепловые насосы могут использовать не только теплоту, выработанную в раз­личных технических устройствах, так и теплоту природных источников — воздуха, воды естественных водоемов, грунта.

Главное применение тепловых насосов в настоящее время — нагрев теплоносителя для систем отопле­ния, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. Однако их можно использовать и для технологиче­ских целей.

Тепловые насосы различаются прежде всего способом, который применяется для преобразования теп­лоты. Поскольку тепловые насосы и холодильные установки имеют одинаковый принцип действия, то типы тепловых насосов совпадают с типами холодильных установок. Применяют парокомпрессионные, газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные, термоэлетрические тепловые насосы. Другой важный вид классификации тепловых насосов — тип источника энергии, который используется для преобразования теплоты. Это может быть электродвигатель, газовая турбина, двигатели внутренне­го сгорания, механическая энергия струи пара и т. д. Часто тепловые насосы разделяют по виду рабоче­го агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.), и типу теплоносителей, отдающих и восприни­мающих теплоту (воздух-воздух, вода — воздух, вода-вода и т. д.).

Наибольшее распространение в настоящее время получили парокомпрессионные тепловые насосы, ис­пользующие в качестве рабочего агента один из фреонов или их смесь. Их так много, что в литературе, если нет специальных оговорок, под словом «тепловой насос» чаще всего имеют в виду именно паро — комперессионный тепловой насос.

Принцип действия и основные характеристики тепловых насосов

Также как и холодильные машины, тепловые насосы относят к трансформаторам тепла. Принципиаль­ного различия в работе и в конструкции между ними не существует. Различается лишь назначение, и, температурный уровень получаемой теплоты. Цель холодильной машины — получение теплоты с темпе­ратурой ниже уровня температуры окружающей среды, т. е. производство холода. Холод в парокомпрес — сионной холодильной установке получается в виде охлажденного теплоносителя (рассолы, антифризы, воздух, вода) выходящего из испарителя. Цель теплового насоса — получение теплоты, которая в случае парокомпрессионного теплового насоса получается в виде нагретого теплолносителя (воды, воздуха), выходящего из конденсатора.

Основными характеристиками теплового насоса являются — коэффициент преобразования (трансфор­мации) тепла, термодинамический КПД, удельная стоимость, т. е. стоимость, отнесенная к теплопроиз — водительности теплового насоса.

Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса может быть проиллюстрирован при помощи рис.23, на котором изображены его схема и термодинамический цикл в диаграмме T-s («температура- энтропия»). Тепловой насос действует за счет подведенной в компрессоре механической работы. При­вод компрессора может осуществляться от электрического или теплового двигателя. В компрессоре (процесс 1-2) повышается давление рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии от давления P1 до давления P2. Затем в конденсаторе (процесс 2-3) при постоянном давлении происходит конденсация рабочего вещества. Получаемое при конденсации тепло передается потребителю при тем­пературе T2, например, нагревая воду, направляемую в систему отопления. В дросселе происходит расширение рабочего вещества до давления P1 с его частичным испарением (процесс 3-4). Далее, ра­бочее вещество полностью превращается в пар при температуре T1 в испарителе, где отбирается теп­лота от ее источника, например от нагретого вентиляционного воздуха или продуктов сгорания.

I — испаритель, II — компрессор, III — конденсатор, IV — дроссель.

Коэффициент преобразования тепла представляет собой отношение получаемой тепловой мощности к затрачиваемой мощности на привод компрессора. Он выше единицы, и существенно зависит от темпе­ратуры холодного источника теплоты T1 и температуры получаемого горячего теплоносителя T2. В ре­зультате работы теплового насоса мы можем получить примерно в 2 — 8 раз больше теплоты, чем в слу­чае непосредственного подогрева теплоносителя в электрокалорифере.

2

(40)

S

T

N

T

Т2 — T

Для людей, не знакомых с работой тепловых насосов, это обстоятельство кажется нарушением первого закона термодинамики. На самом деле — это не так. В данном случае мы лишь трансформируем теплоту более низкого потенциала в теплоту более высокого потенциала — т. е. другого температурного уровня. Коэффициент преобразования тепла не является коэффициентом полезного действия теплонасосной установки. Известно, что качество вида энергии зависит то его способности превращаться в другой вид энергии. Если механическая работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается в механическую ра­боту. Степень превращения теплоты в работу характеризуется работоспособностью или эксергией пото­ка теплоты и существенно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.

Термодинамическое совершенство теплового насоса определяется его эксергетическим КПД. Он может быть вычислен следующим образом:

Q • w,,,,

Пе = —в———————————————————————- (41)

N

(42)

Здесь w — температурная функция или коэффициент работоспособности теплоты, определяемая как

T — T„,

W=

Как видно, эксергетический КПД теплонасосной установки всегда меньше единицы.

Примерная зависимость коэффициента трансформации тепла от температуры представлена на рис 24. Как видно, в случае малой разности температур в испарителе и конденсаторе коэффициент трансфор­мации может достигать больших значений. На практике при современном уровне цен на оборудование и энергоносители рекомендуют применять тепловые насосы с коэффициентом трансформации не ниже 2,5.

" П

A)

0,4

0,3 0,2 0,1

0 -10 -20 -30 -40 to 0 -10 -20 -30 t0 , оС

Б)

Рис.24. Зависимость холодильного коэффициента (а) и эксергетического КПД (б) от температур конденсации и испарения.

Удельная стоимость тепловых насосов, выпускаемых в России по данным [9] для мощностей от 100 до 10000 кВт составляет 6000-7000 рублей за киловатт установленной тепловой мощности (включая мон­таж). Стоимость тепловых насосов, выпускаемых зарубежными фирмами несколько выше. Следует ожидать, что с увеличением числа отечественных производителей удельная стоимость тепловых насо­сов будет понижаться.

Характеристики теплового насоса во многом зависят от применяемого рабочего вещества. В этом каче­стве чаще всего применяются различные фреоны (хладоны) — галогенопроизводные предельных угле­
водородов. Используются такие фреоны, как R-22, R134a, R-407C а также озонобезопасный фреон R- 142B. Применение фреона R-22 разрешено Монреальской конвенцией лишь до 2005 года. Характери­стики фреонов во многом определяют коэффициент преобразования тепла и следовательно, экономич­ность теплового насоса. Теплофизические и термодинамические свойства фреонов можно найти в [10].

Применение тепловых насосов для энергосбережения

В промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве как источник теплоты для работы тепловых насосов могут быть использованы следующие виды тепловых вторичных энергетических ресурсов:

♦ теплота охлаждающей воды паровых турбин тепловых и атомных электростанций, промышлен­ных печей, компрессорных установок, аппаратов химической технологии. Часто эта вода исполь­зуется повторно и направляется на охлаждение в градирни и аппараты воздушного охлаждения (АВО);

♦ теплота сточных вод различных промышленных предприятий и предприятий жилищно — коммунального хозяйства (бани, прачечные, бассейны);

♦ теплота продуктов сгорания в котельных установках и промышленных печах, а также печах по сжиганию твердых и жидких отходов;

♦ теплота продуктов сгорания в газотурбинных установках и дизельных двигателях;

♦ теплота водяных паров низкого давления, выбрасываемых в атмосферу (выпар);

♦ теплота отработанного сушильного агента в сушильных установках;

♦ теплота горячих растворов в выпарных и ректификационных установках;

♦ теплота масла, используемого в турбинах электростанций и в электрических трансформаторах;

♦ теплота воздуха, уходящего из систем вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, обще­ственных и промышленных зданий;

♦ теплота вытяжного воздуха станций метрополитена и воздуха каналов метро.

Для работы тепловых насосов могут быть использованы также следующие природные источники тепло­ты:

♦ теплота наружного воздуха (при положительных температурах);

♦ вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей);

♦ тепло геотермальных источников;

♦ теплота грунта, которую получают при помощи специальных трубчатых теплообменников;

♦ теплота подземных вод;

♦ тепло, получаемое в результате использования солнечной энергии. Низкопотенциальную теплоту вторичных энергетических ресурсов можно использовать напрямую при помощи теплообменных аппаратов, например, для подогрева приточного вентиляционного воздуха, предварительного подогрева воздуха, направляемого в топочные устройства, подогрева сушильного агента в установках для сушки материалов и т. д., однако далеко не всегда это осуществимо на практике. Теплота повышенного потенциала, получаемая в тепловых насосах, имеет более широкие области ис­пользования. Кроме указанных областей потребления она может использоваться также на отопление, горячее водоснабжение, подогрев технологических газов и жидкостей в аппаратах химической техноло­гии, выпарных, перегонных и ректификационных установках, в процессах варки, при рекомпрессии пара. Наиболее целесообразно применять ТН в следующих случаях:

♦ имеется стабильный во времени источник теплоты с температурой 10-50°С.

♦ есть потребитель теплоты с температурой 60 — 120°С. Во многих случаях именно отсутствие по­требителя теплоты затрудняет применение тепловых насосов.

♦ имеется источник недорогой электрической энергии при дефиците тепла.

♦ если разница между температурами источника и потребителя — невелика. В этом случае тепло­вой насос имеет большой коэффициент преобразования.

♦ если источником теплоты является горячая вода или конденсирующийся пар или парогазовая смесь. Эти теплоносители, в отличие от воздуха, имеют высокий коэффициент теплоотдачи, что обеспечивает малые габариты испарителя теплового насоса.

♦ если необходима одновременная выработка теплоты и холода. Например, охлаждение молоч­ных продуктов и отопление цеха.

♦ если в летнее время тепловой насос можно использовать в системе кондиционирования, а в зимнее — в системе отопления.

Рассмотрим некоторые схемы, в которых могут быть использованы тепловые насосы.

HXJ-

Пар от турбины *

Подпитывающая вода

Конденсат

1———————— Г

Вода в систему теплоснабжения

Рис.25. Применение теплового насоса для утилизации тепла оборотной водытепловой электростанции.

На рис.25 представлено использование теплового насоса для охлаждения оборотной воды, охлаждаю­щей конденсатор паровой турбины тепловой электростанции. Для охлаждения оборотной воды обычно применяются градирни. Температура воды, поступающей из конденсатора в испаритель теплового насо­са может составлять в зависимости от сезона от 20 до 35°С, что позволяет получать высокий коэффи­циент преобразования и короткий срок окупаемости. Применение теплового насоса позволяет снизить затраты воды, поступающей на подпитку системы водоснабжения, улучшить экологическую обстановку вблизи градирни. Уменьшение температуры воды, поступающей в конденсатор за счет более глубокого ее охлаждения позволяет увеличить КПД станции.

Воздух Рис.26. Применение теплового насоса для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции.

Г

1, 2 — вентиляторы, 3 — подогреватель воздуха, 4 — тепловой насос, 5 — промышленное здание. Часто источником для работы теплового насоса являются сточные воды промышленного предприятия. Обычно эти воды кроме растворенных или взвешенных примесей имеют еще и высокую температуру. Перед сливом в промышленную канализацию эти воды должны быть предварительно охлаждены, чтобы не оказать вредного воздействия на систему биологической очистки. Тепловой насос не только охлаж­дает сточные воды, но и нагревает теплоноситель для системы теплоснабжения. Применение газотурбинных установок для выработки электроэнергии (рис.27) дает возможность исполь­зовать тепловые насосы как для охлаждения уходящих продуктов сгорания (при этом часть тепла целе­сообразно использовать в котлах-утилизаторах или рекуперативных теплообменниках), так и для пони­жения температуры теплоносителя, обеспечивающего промежуточное охлаждение ступеней компрессо­ра. Промежуточное охлаждение ступеней компрессора увеличивает КПД газотурбинной установки и су­щественно уменьшает выброс в атмосферу окислов азота. Сама газотурбинная установка может слу­жить как источник электрической или механической энергии для теплового насоса. Газотурбинные уста-

На рис.26 представлено использование теплового насоса для утилизации тепла вентиляционных вы­бросов промышленного предприятия. Наличие вредных веществ, паров жидкостей или твердых частиц в вентиляционных выбросах делают невозможным применение рециркуляции вытяжного воздуха. Ис­пользование теплового насоса в такой схеме позволяет отказаться от традиционного в таких случаях использования теплообменников-утилизаторов. Теплоты, вырабатываемой насосом обычно оказывает­ся достаточно для подогрева воды, обеспечивающей работу калориферов, нагревающих приточный воз-

Дух.

ҐҐ

В систему теплоснабжения Рис.27. Применение теплового насоса совместно с газотурбинной установкой. 1, 2 — ступени сжатия воздуха в компрессоре, 3 — промежуточный водовоздушный теплообменник, 4 — тепловые насосы, 5 — каме­ра сгорания, 6 — газовая турбина, 7 — котел-утилизатор.

Особо следует разобрать случаи, когда применение тепловых насосов не оправдано.

1. В качестве источника теплоты для работы нецелесообразно применять теплоту специально сжигае­мого для этих целей топлива, даже в том случае, если это топливо является очень дешевым. Тем­пература дымовых газов и так достаточна для того, чтобы непосредственно нагревать теплоноси­тель в котельной установке. При работе же теплового насоса, полученная потребителем теплота (без учета потерь) будет равна сумме полученной теплоты от продуктов сгорания и работы, затра­чиваемой на привод компрессора. В этом случае она производится с КПД гораздо ниже единицы. Это вовсе не означает того, что теплота продуктов сгорания не может быть использована в тепло­вых насосах, однако целесообразно использовать ее в тех случаях, когда основная ее часть уже за­трачена на непосредственный нагрев теплоносителя и продукты сгорания существенно охлаждены.

2. Источником теплоты для теплового насоса не следует брать «обратную» воду систем теплоснабже­ния, отдавшую теплоту в отопительных приборах. Это связано с тем, что вода из системы тепло­снабжения непосредственно нагревается за счет первичного топлива и потребитель теплоты несет двойные затраты: он оплачивает стоимость топлива и стоимость электрической энергии на привод компрессора.

3. При использовании в качестве источника теплоты воздуха окружающей среды следует иметь в виду, что существует порог температуры кипения рабочего агента и соответствующей температуры на­ружного воздуха, когда работа теплового насоса становится невозможной. Значение этой темпера­туры определяется типом применяемого рабочего агента и давлением в испарителе теплового насо­са. Таким образом, при низких температурах воздуха работа таких тепловых насосов становится сначала неэкономичной (вследствие уменьшения коэффициента преобразования), а затем физиче­ски невозможной.

Достоинства тепловых насосов широко известны: это возможность существенной экономии топлива,

Экологическая чистота (при работе тепловых насосов не сжигается топливо), возможность работать как

В централизованы^ так и нецентрализованных системах теплоснабжения и др. Про недостатки тепловых

Насосов упоминают реже, поэтому остановимся на них подробнее.

1. Источники вторичных энергоресурсов не всегда стабильны во времени и их не теплопроизводитель — ность не всегда достаточна для того чтобы обеспечить теплотой потребителя в холодной период го­да. Поэтому в системах теплоснабжения для надежной работы кроме теплового насоса необходим дополнительный источник теплоты.

2. Шум от компрессоров тепловых насосов затрудняет их применение в жилых и общественных здани­ях, особенно в тех случаях, когда применяются тепловые насосы большой мощности.

3. Фреоны, используемые как рабочее тело, достаточно дороги. При разгерметизации контура теплово­го насоса и при проведении ремонтных работ их приходится менять и потребитель несет дополни­тельные затраты.

Новки широко применяются не только для выработки электроэнергии. Чаще их используют перекачки газа по магистральным газопроводам, однако применение тепловых насосов на газоперекачивающих агрегатах затруднено, поскольку они обычно располагаются вдали от потребителей теплоты.

4. На настоящий момент стоимость тепловых насосов высока и срок их окупаемости при нынешних це­нах на энергоносители (около 280 руб. за Гкал теплоты и 60 копеек за КВт/ч электроэнергии) может быть большим.

Масштабы и перспективы применения тепловых насосов в России и в мире

Широкое применение тепловых насосов в мире началась в 20-30-е годы прошлого столетия. Первый те­пловой насос для теплоснабжения здания был испытан в Англии в 1930 году. Первая крупная теплона — сосная установка в Европе была введена в действие в Швейцарии в 1939 году. Она использовала теп­лоту речной воды и имела мощность 175 кВт.

Сильный толчок к использованию тепловых насосов в системах отопления дал энергетический кризис начала 70 годов прошлого века, во время которого существенно увеличились цены на топливо. В 1993 году общее количество теплонасосных установок, работающих в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составлял более 1 млн. В настоящее время только в Японии выпускается 3 млн. теп­ловых насосов в год и 1 млн. насосов выпускается в США. Правда, при этом следует иметь в виду, что значительную часть из них составляют кондиционеры, которые могут работать в режиме теплового на­соса в переходный период года. В подавляющем большинстве случаев тепловые насосы применяются совместно с дополнительным нагревателем (электрическим или на органическом топливе), который компенсирует недостаток теплопроизводительности теплового насоса в холодный период или при вре­менном отключении источника теплоты.

Многие государства дотируют применение тепловых насосов, устанавливая льготный тариф на электро­энергию для предприятий, которые их применяют, либо предоставляя им льготы по налогообложению. При этом государство получает определенные выгоды: уменьшается его зависимость от внешних поста­вок топлива, улучшается экологическая ситуация в стране, поддерживаются отечественные производи­тели высокотехнологичного оборудования.

По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля теплоснабжения с помощью тепловых насосов составит до 75 %.

За рубежом лидерами в производстве тепловых насосов являются: «Carrier, «Lennox», «Вестингауз», «Дженерал электрик» (США), «Hitachi», «Daikin» (Япония), «Sulzer» (Швейцария), «Klimatechnik» (Герма­ния). Многие из них представлены и на российском рынке, в первую очередь как производители местных кондиционеров, спопсобных работать в режиме теплового насоса в переходное время года и тепловых насосов малой теплопроизводительности (5-15 кВт), совмещенных с огневой системой отопления.

В России тепловые насосы используются существенно меньше, чем в США, странах Европы и Японии. Такое состояние дел сложилось исторически. Применению тепловых насосов в СССР препятствовали низкие цены на топливо, а также ориентация на централизованное теплоснабжение. Более холодный климат нашей страны не дает возможности также широко, как на Западе использовать природные ис­точники тепла и требует наличия дополнительных котельных, которые должны работать вместе с тепло­выми насосами и обеспечивать потребителя теплом при низких температурах наружного воздуха.

В настоящее время, с ростом цен на топливо, ситуация существенно меняется. Способствует примене­нию тепловых насосов и рост стоимости строительства ТЭЦ и котельных, прокладки и ремонта тепловых сетей.

Приведем примерный расчет срока окупаемости теплового насоса в условиях России. При этом будем принимать во внимание капитальные затраты, затраты электрической энергии на привод компрессора и стоимость получаемой тепловой энергии. Затраты энергии на привод насосов, прокачивающих теплоно­ситель, затраты на обслуживание и ремонт теплового насоса, а также инфляцию учитывать не будем. Стоимость изготовления и монтажа теплового насоса тепловой производительностью Q = 1000 кВт (или 0.859 Гкал / час) при стоимости одного киловатта установленной тепловой мощности с учетом монтажа 6000 руб. за 1 кВт составит:

СК = 6000 • Q = 6,0 млн. руб. (43)

Допустим, что коэффициент преобразования тепла для условий работы рассматриваемого теплового насоса равен 4.

Электрическая мощность, получаемая за счет теплового насоса составит при этом

1000

TOC o "1-3" h z N =——- = 250 кВт. (44)

Є

При цене 1 Гкал теплоты — 280 руб. за Гкал., стоимость тепловой энергии, получаемой тепловым насо­сом за год при безостановочной круглогодичной работе составит

СТ = Q • 250 • 24 • 365 = 2,107 млн. руб./год. (45)

Примем цену электрической энергии, затрачиваемой на привод компрессора — 62 коп. за 1 Квт ч. и рас­считаем стоимость электрической энергии, затраченной на работы насоса за год

СЭ = N • 0,62 • 24 • 365 = 1,358 млн. руб./год. (46)

Примерный срок окупаемости в нашем случае составит:

СК

Т =————- = 8,01 лет. (47)

СТ — СЭ

Учет ночного тарифа на электроэнергию приводит к уменьшению общих затрат на электрическую энер­гию. Не учтены в расчете также инфляция и рост стоимости энергетических ресурсов в течение срока окупаемости.

При проведении подобных расчетов следует иметь в виду, что цена на энергоресурсы в России посто­янно растет. В ближайшее время применение насосов станет более выгодным.

Наиболее известный отечественный производитель тепловых насосов — ООО «Энергия» г. Новосибирск. Кроме этого предприятия тепловые насосы производят также заводы «Экомаш» г. Саратов и «Компрес­сор», г. Москва. Технические характеристики тепловых насосов, выпускаемых ЗАО «Энергия» (г. Ново­сибирск), приведены в табл.1 [11].

Таблица

Технические характеристики тепловых насосов, выпускаемых ЗАО «Энергия» (г. Новосибирск)

Тип теплового насоса	НТ-500	НТ-1000	НТ-3000
Теплопроизводительность, кВт Вода источника 12 С Вода источника 25 С	455.3 685.4	905,2 1358	1810,5 2716,4
Потребляемая электрическая мощность, кВт Вода источника 12 С Вода источника 25 С	149,7 161,4	297,3 315	596,4 630
Исполнение	Моноблочное	Раздельное	Раздельное
Габаритные размеры, мм Агрегата компрессорного Агрегата испарительно — конденсаторного	4100x2300x2400	4100x1740x2290	45200x1900x3000
3800x1560x2600	5550x1885x2930
Общая масса, кг	9700	13000	24000

В заключение следует отметить, что применение тепловых насосов в России будет неизбежно расши­ряться как для целей теплоснабжения, так и в энергетике и промышленных технологиях с неизбежным расширением их производства и научных исследований в этой области (разработка новых схем утили­зации теплоты, способов интенсификации теплообмена, создание новых рабочих тел и т. д.).