Тепловые насосы: перспективы и реальность
Тепловой насос был изобретен лордом Кельвином в 1852 году. Принципиально он имеет много общего с холодильником. Работа этих машин основывается на одних и тех же законах термодинамики. Если функцией холодильника является создание низкой отрицательной температуры и замораживание продуктов, то лорд Кельвин использовал его противоположным образом. Теплообменник, с которого сбрасывается тепло, был использован для нагрева жилого помещения. Морозильную камеру - теплообменник-испаритель - изобретатель разместил за наружной стеной дома. Машина продолжала работать в том же режиме, но теперь ее функцией стало повышение температуры и отопление, а не охлаждение помещения.
Любая промышленная деятельность, любой технологический процесс предполагает в конечном итоге превращение энергии, сконцентрированной в энергоносителях, в рассеянное тепло.
Это происходит практически при любых производственных циклах, за исключением получения некоторых химических веществ, где тепло расходуется на образование химических связей. Используя нефть, газ, уголь и дрова, в большинстве случаев, кроме продукции и отходов, мы получаем также нагретые до какой-то степени воздух и воду. Это низкотемпературное рассеянное тепло именуется множеством вторичных источников тепла. Их запасы огромны, а в количественном выражении их величина равна затраченной производством энергии.
Вся проблема заключается в том, что производству нужны большие температуры. Для концентрации энергии нужно затратить значительно большее ее количество.
Тепловой насос позволяет концентрировать низкотемпературное тепло для дальнейшего его использования при гораздо меньших первичных затратах энергии. Основная его характеристика - коэффициент теплопроизводительности - это отношение затраченной энергии к полученной. На каждый киловатт электрической мощности компрессора, насос, в зависимости от условий, может произвести от 1 до 10 киловатт тепла.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Термин "произвести" несколько некорректен и не отражает сути происходящего. Тепловой насос не производит, а перекачивает тепло. Ситуация сходна с добычей угля или нефти, когда затраты энергии меньше, чем процент ее содержания в топливе.
По вышеописанной причине эти две машины стоят особняком в мире техники - они не имеют КПД. Вместо этого показателя у холодильника - коэффициент холодопроизводительности, у теплового насоса - теплопроизводительность. Оба они рассчитываются по той же формуле, что и КПД.
Использование теплового насоса возможно только в небольшом интервале температур. Нижний предел ограничен температурой источника вторичного тепла. В случае использования в этом качестве воды предел составляет 0° С, воздуха - -50° С. Ниже этих значений на теплообменнике начинает нарастать лед. Имея низкий коэффициент передачи тепла, он снижает теплопроизводительность. Расход электроэнергии начинает превышать количество полученного тепла. При таких условиях обычный электрообогреватель становится эффективнее теплового насоса.
Этих неприятных моментов стараются избежать, увеличивая рабочую площадь теплообменника. Применяются также и системы оттаивания, используемые для сброса льда и работающие в автоматическом режиме. В наших климатических условиях источник вторичного тепла должен быть достаточно стабильным.
Верхний предел использования - температура свыше 70° С. Проблемы возникают из-за химической неустойчивости масел, используемых для смазки компрессоров.
Работая в интервале от -5 до 70° С, тепловой насос имеет наименьший коэффициент теплопроизводительности. Чем меньше разница между источником вторичного тепла и температурой нагреваемого теплоносителя, тем выше эта характеристика. Наибольшее значение коэффициента достигается, если разница составляет 10-20° С.
Необходимость такого режима работы возникает также весьма редко.
Наиболее часто используется интервал температур от 0 до 50° С. Теплопроизводительность при таких режимах составляет 3-5 единиц. Такие показатели соответствуют потребностям температуры воды для санитарных нужд.
Экономические показатели работы оборудования прямо зависят от места установки, существующих коммуникаций и стабильности вторичного источника тепла. В настоящее время в связи со значительным ростом цен на энергоносители значительно возросли требования к эффективности. Если в 80-е годы сроки окупаемости были в пределах 7-10 лет, то сейчас норма составляет 0,5-3,5 года. Этот процесс может прогрессировать при дальнейшем удорожании энергоносителей.
Снижение затрат станет еще более значительным, если будет налажено собственное производство тепловых насосов. Сейчас можно приобрести только импортные образцы, стоимость которых держится в пределах $700-1200 на 1 кВт тепловой мощности.
При значении коэффициента теплопроизводительности, рав-ном 2,5, тепловой насос становится эффективным для экономики в целом. Лишь 40% производимой энергии превращается в электрический ток. Вся остальная энергия рассеивается в атмосфере в виде тепла.
Если теплопроизводительность насоса равна 2,5, то это значит, что сконцентрированное им количество тепла равно энергии сгорания топлива, израсходованного на производство нужной ему электроэнергии. Когда коэффициент доходит до значения 3,0, это означает, что энергии произведено на 20% больше, чем было израсходовано. Простой электрообогреватель ничего подобного произвести не может. Он дает тепло в количестве, эквивалентном потребляемой электроэнергии.
Тепловые насосы могут вернуть для повторного потребления огромное количество рассеянного тепла, выделившегося при использовании промышленностью различных видов топлива. На пути возможной реализации подобных замыслов стоит ряд ограничений, связанных с архитектурой и размещением предприятий.
Мощность источников вторичного тепла на некоторых из них колоссальна, но использование их проблематично из-за большого удаления от потребителей.
Сооружение теплотрасс для низкотемпературных теплоносителей требует значительных капитальных затрат. Наибольший эффект достигается, когда расстояние между вторичным источником тепла и потребителем не превышает нескольких десятков метров.
Использованию низкопотенциального тепла предприятий препятствует и режим их работы. В случае, когда нет непрерывного рабочего цикла, снабжение потребителя нарушается во время выходных и праздников.
Таким образом, использование вторичных источников предприятий возможно лишь для собственных их нужд, теплоснабжения собственных помещений, обеспечения горячей водой в санитарных и технологических целях.
Минский метрополитен имеет непрерывный технологический цикл за исключением нескольких ночных часов. На станции метро "Тракторный завод" белорусско-германское СП "Термоблок" установило теплонасосную установку производства "DUNHOM-BUSH" (США). Оборудование заменило приточно-вытяжную вентиляцию установленной мощностью 15 кВт.
Два тепловых насоса установки при потребляемой электрической мощности 10 кВт обеспечивают 30 кВт тепла. Источником низкотемпературной теплоты служат работающие трансформаторы питающей подстанции. Трансформаторный зал необходимо постоянно вентилировать и охлаждать, в противном случае КПД трансформации электрического тока значительно снизится.
Приточно-вытяжная вентиляция справлялась с проблемой достаточно хорошо, но тепловой насос оказался более эффективным. Отводя тепло на обогрев служебных помещений, он потребляет на 5 кВт меньше электроэнергии. При стоимости 1 кВт, равной $22 500, срок окупаемости не превышает 0,5 года. После запуска насоса в ноябре 1996 г. он выработает свой ресурс только через 10 лет, в соответствии с гарантиями фирмы-изготовителя.
В промышленно развитых странах мира тепловые насосы используются достаточно широко, ежегодно производится несколько миллионов единиц различных видов энегии. Часть технологических процессов и оборудования, которые РБ стремится приобрести, отличается от наших аналогов именно наличием тепловых насосов и фактом утилизации рассеянного тепла.
Наиболее широко используются установки с мощностью 1-10 кВт (для теплоснабжения отдельных помещений и коттеджей). Если позволяют климатические условия (температура наружного воздуха опускается ниже -5° С только в течение месяца), используется тепло атмосферного воздуха. Во всех подобных системах предусмотрено реверсирование с возможностью кондиционирования воздуха в летнее время. Пока Беларусь располагает тремя тепловыми насосами. Потенциал их возможностей для энергосбережения по разным оценкам колеблется в пределах 6 000 000-10 000 000 т. у. т. (тонн условного топлива). Они позволяют использовать одно и то же тепло несколько раз. При широком использовании тепловых насосов может произойти главное - промышленность Беларуси значительно снизит затраты энергии на единицу продукции и сможет достичь европейского уровня.
Далее следует целый ряд насосов различной мощности для теплоснабжения и кондиционирования зданий и сооружений. Особо крупные теплонасосные установки способны генерировать до 20 МВт тепловой мощности.
Подобный тепловой насос использован для теплоснабжения санатория "Белая Русь" в Туапсе, принадлежащего РБ. Тепловая мощность насоса составляет 3,6 МВт, в качестве источника низкотемпературного тепла используется морская вода Черного моря. (Зимняя температура черноморской воды не опускается ниже 8° С.)
В отличие от теплоутилизаторов, рекуператоров и воздухообменников тепловой насос способен поднять температуру используемой воды или воздуха до отметки, значительно превышающей температуру вторичного источника тепла. Кроме источников тепла техногенного происхождения, с помощью теплонасосных установок возможно утилизировать теплоту, запасенную грунтом и природными водами. Они получают ее в летнее время и отдают в течение зимы. Для теплового насоса и порода основания фундамента здания, и пруд, расположенный неподалеку, являются аккумуляторами тепла.
К освоению данного направления приступили специалисты БелНИИС. Здесь разработан и изготовлен тепловой насос с частично импортной комплектацией. Опытно-промышленный образец установлен в специально запроектированном энергоэффективном здании полезной площадью 200 м 2. Насос должен обеспечить создание 16 кВт тепла для теплоснабжения и прочих нужд.
Прием тепловой энергии подстилающего грунта осуществляется при помощи пласмассового теплообменника, проложенного на глубине 1,5 метра. Роль теплоносителя выполняет вода. Пластмассовая труба на протяжении всех 400 метров длины не имеет стыков. Долговечность ее в значительной степени превышает долговечность металла.
За рубежом подобные системы выполняют по другой схеме. Теплообменник заглубляют вертикально, иногда его глубина превышает 30 метров. В жаркую погоду тепловой насос, охлаждая помещение, передает тепло грунту. В холодное время года процесс идет в обратном направлении. За лето температура породы увеличивается на несколько градусов, зимой она выполняет роль аккумулятора тепла внушительной емкости.
Такой вариант применяют при отсутствии грунтовых вод или при большой глубине их залегания. Вода по сравнению со многими другими горными породами имеет гораздо большую теплоемкость. В условиях Беларуси подобный тепловой аккумулятор не имеет смысла - грунтовые воды вследствие своей миграции унесли бы создаваемый запас. По этой причине вертикальная схема расположения теплообменника в РБ малоэффективна.
Поэтому для энергоэффективного здания в Уручье-4 специалисты БелНИИС расположили теплообменник горизонтально. В самую жестокую зимнюю стужу температура грунта редко снижается до 3° С. Многие характеристики теплонасосной установки не подтверждены его работой. Вследствие отсутствия финансирования здание не достроено, что не позволяет в деле проверить характер его теплоснабжения.
В бывшем СССР вопрос использования тепловых насосов обсуждался с начала 20-х годов. Неоднократно проводились довольно представительные конференции, но дальше разговоров дело так и не пошло. В отличие от кибернетики саму идею не критиковали, никого из ее носителей не преследовали. Тем не менее не было налажено даже мелкосерийное производство необходимого оборудования.
Первый тепловой насос был установлен в крымском пансионате "Дружба" в начале 80-х годов. Затем еще один - на чайной фабрике в Грузии. Внедрение не выходило за рамки фактов единичного использования, при этом признавалась их достаточная эффективность. Такое невосприятие научно-технической общественностью этого вида техники совершенно непонятно, тем более что в других случаях наблюдалось запоздалое торжество здравого смысла.
Виктор ОСАДЧИЙ
Любая промышленная деятельность, любой технологический процесс предполагает в конечном итоге превращение энергии, сконцентрированной в энергоносителях, в рассеянное тепло.
Это происходит практически при любых производственных циклах, за исключением получения некоторых химических веществ, где тепло расходуется на образование химических связей. Используя нефть, газ, уголь и дрова, в большинстве случаев, кроме продукции и отходов, мы получаем также нагретые до какой-то степени воздух и воду. Это низкотемпературное рассеянное тепло именуется множеством вторичных источников тепла. Их запасы огромны, а в количественном выражении их величина равна затраченной производством энергии.
Вся проблема заключается в том, что производству нужны большие температуры. Для концентрации энергии нужно затратить значительно большее ее количество.
Тепловой насос позволяет концентрировать низкотемпературное тепло для дальнейшего его использования при гораздо меньших первичных затратах энергии. Основная его характеристика - коэффициент теплопроизводительности - это отношение затраченной энергии к полученной. На каждый киловатт электрической мощности компрессора, насос, в зависимости от условий, может произвести от 1 до 10 киловатт тепла.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Термин "произвести" несколько некорректен и не отражает сути происходящего. Тепловой насос не производит, а перекачивает тепло. Ситуация сходна с добычей угля или нефти, когда затраты энергии меньше, чем процент ее содержания в топливе.
По вышеописанной причине эти две машины стоят особняком в мире техники - они не имеют КПД. Вместо этого показателя у холодильника - коэффициент холодопроизводительности, у теплового насоса - теплопроизводительность. Оба они рассчитываются по той же формуле, что и КПД.
Использование теплового насоса возможно только в небольшом интервале температур. Нижний предел ограничен температурой источника вторичного тепла. В случае использования в этом качестве воды предел составляет 0° С, воздуха - -50° С. Ниже этих значений на теплообменнике начинает нарастать лед. Имея низкий коэффициент передачи тепла, он снижает теплопроизводительность. Расход электроэнергии начинает превышать количество полученного тепла. При таких условиях обычный электрообогреватель становится эффективнее теплового насоса.
Этих неприятных моментов стараются избежать, увеличивая рабочую площадь теплообменника. Применяются также и системы оттаивания, используемые для сброса льда и работающие в автоматическом режиме. В наших климатических условиях источник вторичного тепла должен быть достаточно стабильным.
Верхний предел использования - температура свыше 70° С. Проблемы возникают из-за химической неустойчивости масел, используемых для смазки компрессоров.
Работая в интервале от -5 до 70° С, тепловой насос имеет наименьший коэффициент теплопроизводительности. Чем меньше разница между источником вторичного тепла и температурой нагреваемого теплоносителя, тем выше эта характеристика. Наибольшее значение коэффициента достигается, если разница составляет 10-20° С.
Необходимость такого режима работы возникает также весьма редко.
Наиболее часто используется интервал температур от 0 до 50° С. Теплопроизводительность при таких режимах составляет 3-5 единиц. Такие показатели соответствуют потребностям температуры воды для санитарных нужд.
Экономические показатели работы оборудования прямо зависят от места установки, существующих коммуникаций и стабильности вторичного источника тепла. В настоящее время в связи со значительным ростом цен на энергоносители значительно возросли требования к эффективности. Если в 80-е годы сроки окупаемости были в пределах 7-10 лет, то сейчас норма составляет 0,5-3,5 года. Этот процесс может прогрессировать при дальнейшем удорожании энергоносителей.
Снижение затрат станет еще более значительным, если будет налажено собственное производство тепловых насосов. Сейчас можно приобрести только импортные образцы, стоимость которых держится в пределах $700-1200 на 1 кВт тепловой мощности.
При значении коэффициента теплопроизводительности, рав-ном 2,5, тепловой насос становится эффективным для экономики в целом. Лишь 40% производимой энергии превращается в электрический ток. Вся остальная энергия рассеивается в атмосфере в виде тепла.
Если теплопроизводительность насоса равна 2,5, то это значит, что сконцентрированное им количество тепла равно энергии сгорания топлива, израсходованного на производство нужной ему электроэнергии. Когда коэффициент доходит до значения 3,0, это означает, что энергии произведено на 20% больше, чем было израсходовано. Простой электрообогреватель ничего подобного произвести не может. Он дает тепло в количестве, эквивалентном потребляемой электроэнергии.
Тепловые насосы могут вернуть для повторного потребления огромное количество рассеянного тепла, выделившегося при использовании промышленностью различных видов топлива. На пути возможной реализации подобных замыслов стоит ряд ограничений, связанных с архитектурой и размещением предприятий.
Мощность источников вторичного тепла на некоторых из них колоссальна, но использование их проблематично из-за большого удаления от потребителей.
Сооружение теплотрасс для низкотемпературных теплоносителей требует значительных капитальных затрат. Наибольший эффект достигается, когда расстояние между вторичным источником тепла и потребителем не превышает нескольких десятков метров.
Использованию низкопотенциального тепла предприятий препятствует и режим их работы. В случае, когда нет непрерывного рабочего цикла, снабжение потребителя нарушается во время выходных и праздников.
Таким образом, использование вторичных источников предприятий возможно лишь для собственных их нужд, теплоснабжения собственных помещений, обеспечения горячей водой в санитарных и технологических целях.
Минский метрополитен имеет непрерывный технологический цикл за исключением нескольких ночных часов. На станции метро "Тракторный завод" белорусско-германское СП "Термоблок" установило теплонасосную установку производства "DUNHOM-BUSH" (США). Оборудование заменило приточно-вытяжную вентиляцию установленной мощностью 15 кВт.
Два тепловых насоса установки при потребляемой электрической мощности 10 кВт обеспечивают 30 кВт тепла. Источником низкотемпературной теплоты служат работающие трансформаторы питающей подстанции. Трансформаторный зал необходимо постоянно вентилировать и охлаждать, в противном случае КПД трансформации электрического тока значительно снизится.
Приточно-вытяжная вентиляция справлялась с проблемой достаточно хорошо, но тепловой насос оказался более эффективным. Отводя тепло на обогрев служебных помещений, он потребляет на 5 кВт меньше электроэнергии. При стоимости 1 кВт, равной $22 500, срок окупаемости не превышает 0,5 года. После запуска насоса в ноябре 1996 г. он выработает свой ресурс только через 10 лет, в соответствии с гарантиями фирмы-изготовителя.
В промышленно развитых странах мира тепловые насосы используются достаточно широко, ежегодно производится несколько миллионов единиц различных видов энегии. Часть технологических процессов и оборудования, которые РБ стремится приобрести, отличается от наших аналогов именно наличием тепловых насосов и фактом утилизации рассеянного тепла.
Наиболее широко используются установки с мощностью 1-10 кВт (для теплоснабжения отдельных помещений и коттеджей). Если позволяют климатические условия (температура наружного воздуха опускается ниже -5° С только в течение месяца), используется тепло атмосферного воздуха. Во всех подобных системах предусмотрено реверсирование с возможностью кондиционирования воздуха в летнее время. Пока Беларусь располагает тремя тепловыми насосами. Потенциал их возможностей для энергосбережения по разным оценкам колеблется в пределах 6 000 000-10 000 000 т. у. т. (тонн условного топлива). Они позволяют использовать одно и то же тепло несколько раз. При широком использовании тепловых насосов может произойти главное - промышленность Беларуси значительно снизит затраты энергии на единицу продукции и сможет достичь европейского уровня.
Далее следует целый ряд насосов различной мощности для теплоснабжения и кондиционирования зданий и сооружений. Особо крупные теплонасосные установки способны генерировать до 20 МВт тепловой мощности.
Подобный тепловой насос использован для теплоснабжения санатория "Белая Русь" в Туапсе, принадлежащего РБ. Тепловая мощность насоса составляет 3,6 МВт, в качестве источника низкотемпературного тепла используется морская вода Черного моря. (Зимняя температура черноморской воды не опускается ниже 8° С.)
В отличие от теплоутилизаторов, рекуператоров и воздухообменников тепловой насос способен поднять температуру используемой воды или воздуха до отметки, значительно превышающей температуру вторичного источника тепла. Кроме источников тепла техногенного происхождения, с помощью теплонасосных установок возможно утилизировать теплоту, запасенную грунтом и природными водами. Они получают ее в летнее время и отдают в течение зимы. Для теплового насоса и порода основания фундамента здания, и пруд, расположенный неподалеку, являются аккумуляторами тепла.
К освоению данного направления приступили специалисты БелНИИС. Здесь разработан и изготовлен тепловой насос с частично импортной комплектацией. Опытно-промышленный образец установлен в специально запроектированном энергоэффективном здании полезной площадью 200 м 2. Насос должен обеспечить создание 16 кВт тепла для теплоснабжения и прочих нужд.
Прием тепловой энергии подстилающего грунта осуществляется при помощи пласмассового теплообменника, проложенного на глубине 1,5 метра. Роль теплоносителя выполняет вода. Пластмассовая труба на протяжении всех 400 метров длины не имеет стыков. Долговечность ее в значительной степени превышает долговечность металла.
За рубежом подобные системы выполняют по другой схеме. Теплообменник заглубляют вертикально, иногда его глубина превышает 30 метров. В жаркую погоду тепловой насос, охлаждая помещение, передает тепло грунту. В холодное время года процесс идет в обратном направлении. За лето температура породы увеличивается на несколько градусов, зимой она выполняет роль аккумулятора тепла внушительной емкости.
Такой вариант применяют при отсутствии грунтовых вод или при большой глубине их залегания. Вода по сравнению со многими другими горными породами имеет гораздо большую теплоемкость. В условиях Беларуси подобный тепловой аккумулятор не имеет смысла - грунтовые воды вследствие своей миграции унесли бы создаваемый запас. По этой причине вертикальная схема расположения теплообменника в РБ малоэффективна.
Поэтому для энергоэффективного здания в Уручье-4 специалисты БелНИИС расположили теплообменник горизонтально. В самую жестокую зимнюю стужу температура грунта редко снижается до 3° С. Многие характеристики теплонасосной установки не подтверждены его работой. Вследствие отсутствия финансирования здание не достроено, что не позволяет в деле проверить характер его теплоснабжения.
В бывшем СССР вопрос использования тепловых насосов обсуждался с начала 20-х годов. Неоднократно проводились довольно представительные конференции, но дальше разговоров дело так и не пошло. В отличие от кибернетики саму идею не критиковали, никого из ее носителей не преследовали. Тем не менее не было налажено даже мелкосерийное производство необходимого оборудования.
Первый тепловой насос был установлен в крымском пансионате "Дружба" в начале 80-х годов. Затем еще один - на чайной фабрике в Грузии. Внедрение не выходило за рамки фактов единичного использования, при этом признавалась их достаточная эффективность. Такое невосприятие научно-технической общественностью этого вида техники совершенно непонятно, тем более что в других случаях наблюдалось запоздалое торжество здравого смысла.
Виктор ОСАДЧИЙ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 13 за 1997 год в рубрике отопление
