2.4. Современное состояние развития теплонасосной техники.

Наибольшее применение ТНУ получили для теплоснабжения, горячего водоснабжения жилых, административных и производственных зданий, обеспечения тепловой энергией технологических процессов (сушка, дистилляция, тепловая обработка); тепло- и холодоснабжения сельскохозяйственных объектов (молочно-товарных ферм, фруктохранилищ, зернохранилищ и др.).

ТНУ, использующие различные источники низкопотенциального тепла с температурой от 5 °С (атмосферный воздух) до 40 - 70 °С (высокотемпературные промышленные сбросы и геотермальные источники), способны обеспечить нагрев среды в диапазоне температур от 27 °С (вода для плавательных бассейнов) до 110 °С

С учетом ряда технологических и экологических недостатков традиционной теплофикации [7], ТНУ предназначаются для перехода к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и населенных пунктах и с полным исключением применения электрокотельных, потребление энергии которых в 3 - 4 раза превышает потребление ее ТНУ.

Большое преимущество ТНУ - универсальность по уровню мощности, изменяющейся от долей до десятков тысяч киловатт и, по существу, перекрывающей мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии).

Преимущества применения ТНУ обусловили их широкое и все возрастающее применение в развитых странах и во всем мире. Ставится задача не о локальном или ограниченном применении теплонаносного теплоснабжения, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива.

Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. По существу тепловыми насосами является большинство широко распространенных холодильных машин, в том числе бытовых холодильников, так как они по тому же принципу отнимают теплоту от охлаждаемого объекта и при более высокой температуре отдают ее окружающей среде. Тепловые насосы в сравнении с холодильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочих температур. Это, однако, не мешает использовать в тепловых насосах и холодильных машинах одни и те же элементы (компрессоры, теплообменные аппараты и т.д.), а также одни и те же или родственные рабочие вещества (с температурой кипения от минус 40 °С до + 10 °С при атмосферном давлении).

Низкопотенциальными источниками теплоты (НПИТ) для ТНУ могут служить:

• незамерзающие реки, водоёмы, моря;

• артезианская вода;

• оборотная вода систем технологического охлаждения, техническая вода охлаждения конденсаторов турбин ГРЭС, АЭС, КЭС;

• обратная сетевая вода систем теплоснабжения от ТЭЦ;

• сточные воды предприятий;

• бытовые сточные воды (после очистки);

• вытжной воздух ветиляционных систем;

• геотермальная теплота;

• солнечная энергия (в сочетании с солнечными коллекторами и аккумуляторами теплоты);

• грунт и другие.

В соответствии с этим все НПИТ можно классифицировать следующим образом: вода; воздух; грунт.

Потребителями теплоты, вырабатываемой в ТНУ, как правило, являются системы ГВС. отопления (водяного или воздушного) и вентиляции. Реже эта теплота используется в технологических процессах, например, таких как сушка различных материалов и продуктов. Таким образом, потребителей теплоты тоже можно классифицировать по тому же принципу: вода, воздух.

Исходя из вышесказанного, ТНУ можно классифицировать по принципу «источник-потребитель»:

«вода-вода», «вода-воздух», «воздух-вода», «воздух-воздух», «грунт-вода», «грунт-воздух».

Основными областями применения ТНУ являются:

• жилищно-коммунальный сектор;

• промышленные предприятия;

• курортно-оздоровительные и спортивные комплексы;

• сельскохозяйственное производство.

Жилищно-коммунальный сектор.

В ЖКХ ТНУ находят наибольшее применение (и в мировой и в Российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Здесь можно выделить два направления:

• автономное теплоснабжение от ТНУ;

• использование ТНУ в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения.

Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов ( в том числе школ, больниц и т.п.), городских районов, населенных пунктов используются преимущественно ТНУ с тепловой мощностью 10…30 кВт в единице оборудования (коттеджи, отдельные дома) и до 5,0 МВт (для районов и населенных пунктов). В качестве НПИТ используют преимущественно грунтовые воды (t = 8 - 15 °С), грунт (t = 5 - 10 °С), водопроводную воду (t = 9 - 20 °С), теплоту канализационных стоков (t = 10 - 17 °С). Децентрализованное теплоснабжение позволяет применить современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя t = 40…60 °С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования ТНУ µ= 3,5…5,0.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТНУ в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения от ТЭЦ с разветвлёнными тепловыми сетями:

• больших тепловых потерь (до 50%);

• больших потерь сетевой воды в теплосетях и соответственно, теплоты на её восполнение;

• сложности оптимального распределения сетевой воды;

• повышенной температуры обратной сетевой воды, снижающей КПД ТЭЦ;

• экологического загрязнения окружающей среды городов.

Промышленные предприятия.

На промышленных предприятиях ТНУ находят применение для утилизации теплоты водооборотных систем, теплоты вентиляционных выбросов, теплоты сбросных вод (целюлозо-бумажные комбинаты). На предприятиях, имеющих котельные, теплота от ТН используется для подогрева подпиточной воды для котлов и собственных тепловых сетей.

До недавнего времени считалось, что применение ТНУ на предприятиях, снабжаемых теплом от ТЭЦ заведомо неэкономично. Сейчас эти оценки пересматриваются.

Перспективным для существующих предприятий является применение ТНУ в сочетании с использованием теплоты вентсбросов. Воздушное отопление характерно для многих промышленных предприятий. Обычные рекуперативные и регенеративные системы утилизации теплоты вентсбросов позволяют предварительно нагреть поступающий в цех наружный воздух примерно до + 8 °С. Применение ТНУ позволит нагревать приточный воздух до 25-30 ^оС, за счёт более глубокой утилизации теплоты вытяжного воздуха.

Курортно-оздоровительные и спортивные комплексы.

Среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов, прежде всего, можно выделить здравницы на морском побережье. В районах их расположения (Кавказ, Крым и др.) действуют повышенные требования к чистоте воздушного бассейна. Вместе с тем используются децентрализованные системы теплоснабжения с применением мелких котельных на органическом топливе (обычно на мазуте).

Одним из потребителей теплоты являются плавательные бассейны. В современных условиях на таких объектах обязательным является летнее кондиционирование воздуха. Требованиям экологически чистого теплоснабжения и летнего кондиционирования воздуха в полной мере отвечают комбинированные теплонаносные системы ("Тепловой насос - холодильная машина").

В качестве источника низкопотенциальной теплоты для ТНУ используется морская вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время морская же вода является приемником теплоты конденсации холодильной машины.

По аналогичной схеме работают комбинированные теплонаносные системы спортивных комплексов - спортивных залов, плавательных бассейнов, аквапарков. В качестве НПИТ, при отсутствии вблизи объекта водоема (моря, реки, озера), используется теплота подземных вод или грунта. 

Сельскохозяйственное производство.

В сельском хозяйстве многие технологические процессы связаны с большим потреблением теплоты, которое в значительной степени удовлетворяется за счет электроэнергии. С другой стороны, сельское хозяйство располагает большими собственными вторичными тепловыми ресурсами, но из-за их низкого температурного уровня они используются недостаточно. Применение тепловых насосов в технологических процессах сельского хозяйства позволяет использовать сбросную низкопотенциальную теплоту для теплоснабжения.

Существуют две основные области применения тепловых насосов в сельском хозяйстве:

• В линиях первичной обработки молока и для теплоснабжения стойловых помещений. На молочных фермах существенную долю расхода энергоресурсов (до 50%) составляют затраты электроэнергии на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и на нагрев воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в теплоте и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов.

• С вентилируемым воздухом животноводческих помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве НПИТ для малых тепловых насосов. Применение ТНУ на животноводческих фермах обеспечит одновременно кондиционирование воздуха в помещениях и теплоснабжение производственных помещений.

В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано, в первую очередь, на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах получили наибольшее распространение воздухо-воздушные реверсивные ТНУ, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе получили большее распространение водоводяные и водовоздушные ТНУ. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое распространение систем централизованного теплоснабжения привело к развитию крупных ТНУ. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются ТНУ с приводом от газового двигателя. Для Германии крайне важным является замена привозного топлива из нефти и снижение загрязнения окружающей среды. Поэтому широкое развитие получили ТНУ с электроприводом, а также от газовых дизельных двигателей.

Можно выделить США, ФРГ, Японию, Францию, Швецию, Германию, Данию и Швейцарию, в которых развитие ТНУ происходит особенно быстрыми темпами.

США в настоящее время эксплуатирует около 10 млн. ТНУ и из них 60% в ЖКХ. Ежегодно вводится в эксплуатацию до 500 тыс. ТНУ. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные ТНУ с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. ТНУ выпускают более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают ТНУ.

В Швеции с начала 80-х годов развитие ТНУ происходит очень интенсивно. Установлено более 200 тысяч ТНУ в основном с электроприводом, использующие различные источники теплоты. Для Швеции характерно использование крупных ТНУ тепловой мощностью около 30 МВт. В качестве низкопотенциальной теплоты используются, в основном, очищенные сточные воды, морская вода и сбросная вода промышленных предприятий.

В Японии широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, единичной тепловой мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ с водяными источниками теплоты. Построено несколько десятков ТНУ с тепловыми насосами с приводом от дизельных и газовых двигателей. Ежегодно выпускается около 3 млн. ТНУ (с учетом комнатных кондиционеров).

В Германии в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В основном используются ТН с электроприводом. Кроме того, используются сотни ТНУ большой тепловой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д.

В настоящее время в Германии выделяется самая крупная среди развитых стран государственная дотация из бюджета: за 1 кВт тепловой мощности, запущенного в эксплуатацию ТН, выплачивается 300 марок. И это при том, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире.

В Дании эксплуатируется более 40 тысяч ТНУ. Источниками теплоты служат грунт, вода и воздух. Используются крупные ТНУ тепловой мощностью до нескольких МВт. Широко распространены установки для комбинированного производства тепла и холода на молочных фермах.

Швейцария является одной из стран, в которых первые ТНУ были построены еще в 30-х годах. Сейчас в эксплуатации находится около 40 тысяч ТНУ, в основном небольшой тепловой мощности. Построены крупные ТНУ для работы в СЦТ. Самой крупной из них является ТНУ в г. Лозанне тепловой мощностью 7 МВт с электроприводом. Строятся около десяти ТНУ с приводом от ДВС. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается увеличить за ближайшие годы производство тепла тепловыми насосами до 2250 ГВтЧч, т.е. втрое выше существующего уровня. Для реализации этой программы выделяются значительные дотации.

Структура действующего парка ТНУ по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность ТН, по видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100,0 кВт.

Тепловая мощность всех ТНУ в мире по минимальной оценке составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты 1,0 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. тут. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения ТНУ.

Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран. В конце 80-х годов в бывшем СССР ВНИИ холодмашем был разработан ряд паро-компрессионных ТН теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт двенадцати типоразмеров типа "вода-вода" (в том числе морская вода в качестве НПИТ). Четыре типоразмера выпускались серийно. Общий их выпуск с 1987 года по 1992 год может быть оценен в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих ТН, с учетом возможного выбытия оборудования, оценивается в 30 МВт.

В последние годы появились специализированные фирмы (в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах), проектирующие ТНУ и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введены в эксплуатацию ТН общей тепловой мощностью около 50 МВт. При средней продолжительности работы в году 5000 часов ныне действующий парк ТН вырабатывает около 350 тыс. Гкал/год.

Масштабы возможного использования ТНУ в системе централизованного теплоснабжения зависят от наличия экономичных и производительных НПИТ. В условиях Москвы в качестве НПИТ предполагалось использо­вать очищенные сточные воды Люберецкой и Курьяновской станций аэрации, сбрасывающих в Москву реку около 6 млн. м³/сут воды с температурой 15-20 °С. Ее охлаждение в испарителях позволит получить 3,5-5 тыс. МВт уста­новленной мощности ТНУ при одновременном снижении теплового загрязне­ния Москвы-реки.

Как показывают оценки, при замещении газовых котельных на ТНУ с газотурбинным приводом потребление газа снижается до 2 – 2,5 раз, что является достаточно уникальным результатом.

Контрольные вопросы по теме

1. Энергетика и экология. Возможности ТНУ в улучшении экологии городов.

2. Основные направления решения экологических проблем энергетики.

3. Сравните традиционную систему теплоснабжения от котельной и от ТНУ.

4. Основные причины глобального потепления на Земле.

5. Дайте определение коэффициента использования топлива. От каких величин он зависит?

6. Современное развитие теплонасосной техники в мире.

7. Современное развитие теплонасосной техники в России.

8. Основные области возможного применения теплонасосной техники.

9. Классификация низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ) для ТНУ.