Возможности теплоснабжения потребителей на основе тепловых насосов

POSSIBILITIES OF HEAT SUPPLY OF CONSUMERS ON THE BASIS OF THERMAL PUMPS

Gumerov I.R., Zainullin R.R.

Отечественная теплофикация базируется на районных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) общего пользования, от которых теплота отпускается как промышленным предприятиям, так и расположенным поблизости городам и населенным пунктам. Для удовлетворения отопительно-вентиляционной и бытовой нагрузок жилых и общественных зданий используется главным образом горячая вода. Температура горячей воды постоянна и равна 70°С.

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города).

Тепловой насос – экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения жилых помещений за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы – сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т.п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки, можно получить 3-4 кВт, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности [1].

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 [2, 3].

Важнейшая особенность теплонасосных установок – универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными. Еще одно преимущество теплонасосных установок – широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано в первую очередь на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах наиболее распространены воздухо-воздушные реверсивные, теплонасосные установки, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе преобладают водо-водяные и водовоздушные. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое использование систем централизованного теплоснабжения привели к развитию крупных теплонасосных установок. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются тепловые насосы с приводом от газового двигателя и абсорбционные [4, 5].

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 [6].

Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов.