Использование тепловых насосов
Определенная роль в решении проблем энергосбережения принадлежит теплонасосным установкам (ТНУ), обеспечивающим эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты окружающей среды, промышленных и бытовых стоков.
Использование теплового насоса получило интенсивное развитие в мире в последние годы в связи с энергетическими и экологическими проблемами.
Тепловой насос - машина, переносящая теплоту с более низкого на более высокий температурный уровень, затрачивающая при этом меньшее количество энергии, чем переносимая тепловая энергия. Он способен во многих случаях обеспечивать экономию топлива и уменьшать тепловое загрязнение окружающей среды. С помощью ТНУ природную теплоту и тепловые отходы можно использовать для различных целей теплоснабжения.
Так для одного отечественного предприятия был разработан проект системы технологического кондиционирования воздуха с холодильной станцией на базе серийных холодильных парокомпрессионных машин типа МКТ-350-2-1 с винтовыми компрессорами (перевод их в режим теплового насоса согласован с заводом-изготовителем). Для получения в теплонасосной установке (ТНУ) теплоносителя с температурой 65о С произведена замена хладагента Р-22 на Р- 12 с более высокой температурой конденсации при допускаемых заводом-изготовителем давлениях конденсации. Эффективность применения ТНУ для комплексного теплохолодоснабжения на данном предприятии возросла при наличии сбалансированного потребления холода и теплоты и сбросной теплоты технологического оборотного водоснабжения.
На рис. 11 приведена принципиальная схема разработанной системы выработки холода и утилизации теплоты с ТНУ. Тепловая мощность ТНУ определяется требуемой холодопроизводительностью. В летний период в качестве низкопотенциальной теплоты используется отепленная вода оборотного водоснабжения системы кондиционирования воздуха 4, которая охлаждается в испарителях парокомпрессионных машин 1 с 11 до 6 оС и далее используется как хладоноситель. В отопительный период, когда отсутствует нагретая вода системы кондиционирования воздуха, к испарителям подводится вода технологического оборотного водоснабжения 3 с температурой около 25 оС, которая при традиционной схеме охлаждалась в градирнях 5.
Для отбора получаемой в ТНУ теплоты организован специальный контур циркуляционной воды с насосной группой 6. Проходя через конденсаторы 2 ТПУ, вода нагревается до 65 °С и используется в качестве теплоносителя для технологических нужд котельной и горячего водоснабжения предприятия. Отработанная во всех элементах тепловой схемы циркуляционная вода с температурой около 42 оС возвращается в конденсаторы ТНУ для последующего подогрева.
В отопительный период наряду с покрытием указанных тепловых нагрузок циркуляционная вода от ТНУ используется для предварительного подогрева обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия перед поступлением ее в котельную. Для этого системы отопления и вентиляции промышленных корпусов 7 были спроектированы на температурный график 150/50 оС, что дало возможность значительно снизить температуру обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия и тем самым более полно использовать утилизируемую в ТНУ теплоту.
Рис.11. Схема утилизации теплоты: 1- парокомпрессионная машина; 2 - конденсаторы; 3 - оборотное водоснабжение;
4 - система кондиционирования воздуха; 5 – градирня; 6 - насосная группа; 7 – промышленный корпус; 8-11 теплообменные аппараты; 12 система утилизации.
В разработанной системе утилизации 12 применена схема последовательного соединения тепловых насосов по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением. Среднегодовой расчетный коэффициент комплексной эффективности (отношение эквивалентных количеств выработанных теплоты и холода к количеству электроэнергии, затраченной на привод ТНУ) разработанной системы составил 5,4. В качестве теплообменных аппаратов 8 - 11 в тепловой схеме применены пластинчатые подогреватели типа Р.0б, обеспечивающие наиболее эффективное использование располагаемого напора.
На рис. 12 приведен график тепловых нагрузок предприятия в зависимости от времени года. Заштрихованная область соответствует доле тепловой нагрузки покрываемой ТНУ (Q - среднемесячная часовая тепловая нагрузка предприятия).
Расчеты показывают, что количество утилизируемой теплоты в общем тепловом балансе предприятия составляет около 30 %.
Разработанные технические решения позволяют круглогодично покрывать тепловую нагрузку горячего водоснабжения за счет утилизации ВЭР предприятия и существенно уменьшить потребление органического топлива на нужды отопления, вентиляции и технологии. Расчетная годовая экономия тепловой энергии составила более 12 тыс. Гкал. Кроме того, значительно уменьшаются нагрузки градирен, и улучшается экологическое состояние воздушного бассейна.
С термодинамической и конструктивной точки зрения ТПУ аналогичны холодильной машине, отличаясь от нее лишь температурным режимом работы.
Существует большое разнообразие типов ТПУ, которые могут быть классифицированы по различным признакам: по принципу действия (парокомпрессионные, абсорбционные, термоэлектрические и др.), схеме применения (ТНУ в чистом виде либо в комбинации с дополнительным источником теплоты), используемому источнику низкопотенциальной теплоты (наружный воздух, поверхностные или подземные воды, грунт, тепловые отходы и др.), сочетанию сред - источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой (воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, грунт-воздух и др.), источнику затрачиваемой энергии (электричество, органическое топливо, солнечная энергия, тепловые отходы производства и т. п.), типу привода компрессора (электродвигатель, ДВС, турбина и др.).
Тепловые насосы с передачей тепла от воздуха к воздуху завоевали не слишком хорошую репутацию. Однако новые модели, использующие воду в качестве источника низкопотенциальной теплоты, полностью свободны от недостатков, свойственных тепловым насосам «воздух-воздух», и обладают преимуществами, которых эти насосы лишены. К числу таких преимуществ относятся: лучшие эксплуатационные показатели при низких температурах наружного воздуха (поскольку источником низкопотенциального тепла служит вода), меньшая потребность в подаче дополнительного тепла и более высокий КПД.
В настоящее время тепловые насосы с водяным контуром используются при сооружении новых и реконструкции существующих общественных зданий. Их почти всегда располагают в надпотолочном пространстве, и они не нуждаются в дорогостоящей площади пола. В современных административных зданиях, состоящих из большого количества помещений, вполне возможна ситуация, при которой одни помещения, расположенные по периметру, нуждаются в отоплении, а в тоже самое время другие помещения, расположенные по периметру, нуждаются в кондиционировании воздуха. Внутренняя зона здания будет почти круглый год нуждаться в кондиционировании. Тепловые насосы, расположенные во внутренней зоне, подают теплоту в контур, а насосы, расположенные, но периметру здания, отбирают теплоту из контура. Во многих случаях дополнительный нагрев не требуется, поскольку все здания отапливаются за счет повторно используемой электроэнергии.
Бытовым вариантом теплового насоса с водяным контуром является насос, для которого источником низкопотенциальной теплоты служит грунт. Не требуется ни башенный охладитель воды, ни бойлер: вместо них в качестве поглотителя или источника теплоты используется грунт.
Петля из труб, содержащих жидкий теплоноситель, укладывается в горизонтальную траншею либо помещается в вертикальную скважину или в пруд. Тепловая энергия, выделяемая системой передается грунтовым водам; при обогреве помещения грунтовые воды служат источником низкопотенциальной теплоты. Поскольку температура грунтовых вод колеблется лишь в пределах от 3 оС до -26 оС, требуется лишь незначительный подогрев, а иногда и не требуется вовсе. При использовании отопительных систем подобного рода период окупаемости капиталовложений обычно составляет от 3 до 5 лет.
Тепловые насосы используются также и для нагрева воды. В этом случае они отбирают тепловую энергию из воздуха, находящегося внутри здания; вода нагревается примерно до 60 оС. Работая в этом режиме, тепловой насос обладает коэффициентом преобразования, равным 2-4. Для сравнения укажем, что наиболее совершенные газовые водонагреватели имеют коэффициент преобразования, равный 0,6-0,9, а электронагреватели обладают коэффициентом преобразования, равным 0,9-1,0.
На практике в большинстве случаев применяются парокомпрессионные ТНУ с электроприводом компрессора.
Наибольшее применение ТНУ нашли в следующих областях: теплоснабжение (централизованное и децентрализованное) жилых, административных и производственных объектов; обеспечение теплотой нужных параметров некоторых технологических процессов (сушка, дистилляции, тепловая обработка); теплохладоснабжение сельскохозяйственных объектов (молочно-товарные фермы, фруктохранилища и др.). Новой областью применения ТНУ стало создание высокотемпературных ТНУ открытого цикла для получения пара промышленных параметров, а также высокотемпературных абсорбционных термотрансформаторов для получения горячей воды и пара с температурой до 250 оС. Применение ТНУ открытого цикла на водяном паре перспективно на маневренных ТЭЦ, в системах пароснабжения от крупных загородных ТЭЦ, на ТЭЦ при выпаривании солевых растворов. Ведется освоение крупной ТНУ под Выборгом и проектируется комбинированная установка ДЭС+ТНУ в г. Владимире.
Теплопроизводительность ТНУ может составлять от нескольких сотен ватт до 100 МВт в одном агрегате.
В мире ТНУ применяются широко. Они заняли прочное место в ряду других средств теплоснабжения. Так, в США эксплуатируется около 7 млн. ТНУ, половина из которых составляет ТНУ для коттеджей тепловой мощностью 3…30 кВт. В ФРГ имеется около 300 тыс. ТНУ, в том числе около 500 ТНУ большой мощности, десятки ТНУ по 500 кВт с приводом от газовых ДВС для теплиц. Для Швеции (общее количество ТНУ около 150 тыс.) характерно применение крупных ТНУ, эксплуатируется около 50 ТНУ по 20…90 МВт.
В 1986-1989 гг. в бывшем СССР был разработан ряд парокомпрессионных ТНУ на фреоне-12 теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт типа «вода-вода» и «вода—воздух». Большая часть ТНУ этого ряда прошла стадию изготовления и испытания, опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (ТНУ теплопроизводительностью 14, 100, 300, 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. составил более 3000 единиц. Кроме того АО «ИНСОЛАР» осуществило поставку заказчикам около 25 ТНУ на 1,5 и 5 кВт для горячего водоснабжения и отопления коттеджей «воздух-вода» и «грунт-вода», базирующихся на импортных компрессорах.
Отечественные ТНУ по достигаемому коэффициенту преобразования (отношение тепловой энергии, отданной потребителю, к энергии, затраченной на привод ТНУ) не уступают лучшим мировым образцам. При эффективном применении ТНУ обеспечивается экономия топлива в сравнении с прямым электрообогревом до 270 кг у. т. и в сравнении с котельными до 55 кг. на 1 МВт - ч тепловой энергии.
Экономическая целесообразность применения ТНУ в значительной степени определяется отношением стоимости электроэнергии к стоимости топлива в перерасчете на его теплотворную способность, Для нашей страны характерно завышенное в 3-4 раза по сравнению с западными странами значение данного отношения, что сдерживает широкое распространение ТНУ.
Важным резервом экономии топлива и защиты окружающей среды является использование таких источников энергии, как воздух, вода и грунт, температура которых изменяется во времени под воздействием различных природных и антропогенных факторов. При огромной суммарной мощности эти низкопотенциальные источники могут рационально использоваться многочисленными малоэнергоемкими потребителями, удаленными от систем энергоснабжения.
В технико-экономическом докладе ВНИПИэнергопрома «Развитие теплонасосных станций» определены целесообразные области использования тепловых насосов в РФ
• на объектах курортной зоны;
• в электрокотельных, вблизи которых находятся источники низкопотенциального тепла (водохранилища ГЭС);
• на электростанциях 220…500 кВт;
• на ТЭЦ, переводимых в режим котельных и котельных на органическом топливе вблизи источников тепловой энергии;
• на ГЭС для использования теплоты охлаждения гидрогенератора и трансформаторов для теплоснабжения;
• для охлаждения обратной сетевой воды в системах дальнего транспорта тепла отходящих и дымовых газов.
В Краснодаре ведется сооружение опытной теплонасосной установки теплопроизводительностью 100 кВт с использованием взамен фреона специальной пропан-бутановой фракции.
«Роскоммунэнерго» в 2005 г. совместно с Институтом тепло - физики Сибирского отделения Академии наук РФ создает компрессионно - ресорбционный водоаммиачный тепловой насос теплопроизводительностью 1...1,5 МВт для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения на базе низкопотенциальной теплоты 15…30 оС.
Для использования тепловой энергии от сжигания твердых и жидких бытовых отходов Сибирский филиал «Техэнергохимпром» (г. Бердск) разработал ряд установок различной мощности и различного конструктивного исполнения в зависимости от вида преобладающей части бытовых отходов.
Применение ТНУ, даже при современном уровне оборудования, выпускаемого отечественными заводами, позволяет использовать их для отопительных нужд (с трансформацией тепловой энергии грунта и Солнца, сборной тепловой энергии от крупных предприятий, холодильных станций и т. д.).
В отдаленных районах Севера и Северо - Востока страны нашли применение подземные машинные распределительные холодильники с зимним холодо - зарядным атмосферным воздухом. Строительство подземных холодильников дешевле наземных па 20…25 %, расход энергии при эксплуатации сокращается на 30 %.