Практическая значимость от использования углекислого газа в качестве рабочего тела в теплонасосных установках

Modes of work of heatpumping installations and foreign operating experience of these installations in a heating system and hot water supply are considered. Problems of decrease in emissions of carbon dioxide gas. Features of use of carbon dioxide gas as the low-boiling working fluid.

Тепловой насос является полным аналогом холодильной машины по процессам и по принципу действия. Также включает в себя теплообменник-конденсатор, компрессор, теплообменник-испаритель и дроссель. Серийно выпускаемая холодильная машина может работать в режиме «тепловой насос» без конструкторской доработки. Получение тепла из окружающей среды происходит в теплообменнике-испарителе теплового насоса. Здесь используется способность жидкого хладагента (низкокипящей жидкости) к испарению даже при минусовых температурах и накоплению поглощенной при этом энергии. Компрессор всасывает перешедший в газообразное состояние хладагент и сжимает его. При этом сильно повышается давление и температура хладагента. Нагретый газообразный хладагент поступает в теплообменник-конденсатор, в котором происходит передача полученного из окружающей среды тепла в отопительную систему. Перешедший после охлаждения в жидкое состояние газообразный хладагент вновь способен к поглощению тепла из окружающей среды, после того как посредством расширительного клапана будут снижены давление и температура. Таким образом, циркуляция в системе начинается сначала [1].

В качестве энергоносителя могут использоваться местные источники низкопотенциальной теплоты: грунтовые и поверхностные воды, водоемы, морская вода, грунт на определенной глубине, очищенные сточные воды и сбросная вода промышленных предприятий.

По прогнозу Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году в развитых странах около 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) будет осуществляться с помощью тепловых насосов. В большинстве случаев этому способствует действующая система штрафов (за выброс CO2 при сжигании топлива) и поощрений за использование различных источников низкопотенциальной теплоты для теплоснабжения.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано в первую очередь на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. К настоящему времени можно выделить лидеров по использованию тепловых наосов: США, ФРГ, Япония, Франция, Швеция, Германия [2].

В качестве рабочего тела в теплонасосных установках могут использоваться природные хладагенты: воздух, углеводороды, диоксид углерода и аммиак. К примеру, в Норвегии в городе Драммен местная тепловая компания совместно с городским советом создали систему на основе тепловых насосов, которая обеспечивает теплом жилые дома, офисы и производственные помещения, извлекая тепло из воды фьорда. Вода в фиорде Драммена очень холодна, среднегодовая температура воды в фьорде 8°С. Тепловой насос работает следующим образом. Вода из фьорда температурой 8°С используется для подогрева сжиженного аммиака, давление которого в 4 раза выше атмосферного (4 бара), который закипает и начинает испаряться при температуре в 2°С. Далее производиться повышение давления до 50 бар с помощью сжатия в компрессоре, что вызывает нагрев газа до 120°С. Нагретый таким образом газ используется для подогрева воды в системе отопления с 60°С до 90°С (вода поступает в систему отопления из теплового насоса с температурой 90°С и возвращается обратно с температурой 60°С). В процессе теплообмена вода нагревается, а газообразный аммиак охлаждается и конденсируется. Полученный конденсат дросселируется до требуемого давления, и цикл повторяется [3].

Японские специалисты сосредоточили значительное внимание на тепловых насосах на основе CO 2 , а одна японская компания, Mayekawa, занимается в Северной Америке продажей в промышленных масштабах тепловых насосов на основе CO 2 в течение нескольких лет. Mayekawa предлагает три различных CO₂ тепловых насоса, водо-водяной тепловой насос EcoCute, тепловой насос воздух-вода Unimo и водо-воздушный тепловой насос Sirocco. К примеру, тепловые насосы Mayekawa EcoCute характеризуются коэффициентом полезного действия около 4,19 (табл. 1) и оснащаются электроприводными поршневыми компрессорами мощностью в 25 кВт. С точки зрения производительности, большим отличием тепловых насосов на основе CO₂ является то, что они могут производить гораздо более высокую выходную температуру [4].

Таблица 1

Эффективность теплового насоса в зависимости от температуры нагрева воды

Таким образом, при затратах в 1 кВт электрической мощности на привод компрессора теплонасосной установки, можно получить 3-4 кВт, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности.

Также нужно отметить, что благодаря работам МГУИЭ, МЭИ, «Гелиймаш» в России был создан мощный тепловой насос на СО2 до 20

МВт, который подтвердил, что диоксид углерода в цикле, где теплота подводится при переменной температуре (например, при нагреве воды от 50°С до 90°С), оказывается энергетически лучше подобных систем на синтетических хладагентах [5].

Учитывая, что основным фактором влияния на глобальное потепление является эмиссия парниковых газов, в первую очередь углекислого газа CO 2 , то в будущем наиболее экономически эффективным решением должно стать излечение углекислого газа из дымовых газов и непосредственное его использование в качестве рабочего тела в тепловых насосах. Этому должно способствовать то, что хладагент CO₂ (R744) все шире используется в холодильных установках, обладает высокой холодопроизводительностью почти на порядок выше, чем для любого синтетического хладагента и в пять раз выше, чем для аммиака, при этом не имеет цвета, запаха и не токсичен, а использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать различные технологические задачи. Причем обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не подвергает коррозии металлов [6].

Относительно перспектив применения теплонасосных установок в России можно отметить следующее. Исторически сложилось так, что в России широкое применение получил только одни из способов энергетически эффективного теплоснабжения – комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на теплоэлектроцентралях. Масштабы теплофикации в Россия выше, чем во всех зарубежных странах, вместе взятых. Поэтому зарубежный опыт следует рассматривать как реальный путь развития в перспективе.