Тепловые насосы

Одним из наиболее эффективных решений вышеуказанных проблем является использование тепловых насосов. Тепловой насос - это термодинамическая система, позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий. Данные машины предназначены для получения горячих воды и воздуха, используемых для отопления и горячего водоснабжения. Необходимым условием для их применения является наличие низкотемпературного источника теплоты, непригодного по своим температурным параметрам для обогрева окружающей среды. В настоящее время в мире определилось два основных принципиальных направления в развитии тепловых насосов: парокомпрессионные тепловые насосы (далее - ПТН) и сорбционные (аб/адсорбционные) тепловые насосы (далее - АТН).

По низкотемпературному источнику теплоты и нагреваемой среде ПТН делятся на типы: "вода-вода", "воздух-вода", "воздух-воздух", "вода-воздух", "грунт-вода", "грунт-воздух". По типу используемого компрессорного оборудования - на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессора - на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины.

В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля грунтовых тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%. Общий объем продаж выпускаемых за рубежом грунтовых тепловых насосов составляет 125 млрд долларов США, что превышает мировой объем продаж вооружений в 3 раза. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта грунтовых тепловых насосов, используемых для обогрева и кондиционирования зданий, являются вертикальные теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой скважины глубиной от 30 до 50 м каждая, устроенные вблизи дома.

Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками аккумуляторами.

Различные комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла дают большое разнообразие типов теплонасосных установок. Например, установка может использовать для отопления помещения тепло грунтовых вод, а для горячего водоснабжения - тепло естественного водоема. Морская вода и наружный воздух могут применяться в качестве источников и приемников тепла (кондиционеров).

Помимо широко используемых парокомпрессионных электрических тепловых насосов применяются также неэлектрические сорбционные тепловые насосы АТН (абсорбционные и адсорбционные). АТН делятся на два основных вида - водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных АТН абсорбентом является вода, а хладагентом - аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом - вода. В мировой практике используют преимущественно солевые АТН.

При регенерации путем сжигания природного газа сорбционные устройства охлаждения могут быть экологически более чистыми только в исключительных случаях, поэтому для уменьшения выбросов вредных веществ целесообразно развивать компрессионные устройства с высоким холодильным коэффициентом (ХК 4). Сорбционные тепловые насосы с коэффициентом усиления КУ(COP)1 являются и экологически более чистыми и экономически более выгодными, чем газовые нагреватели. При КУсорб=1,7 потребление природного газа уменьшается на 41%, а при КУсорб=1,5 - на 33%, что представляет большой практический интерес.

Сорбционные реверсивные тепловые насосы (теплота + холод) позволяют получить от 20 до 30 кВт/м³ тепловой энергии и до 5 кВт холода на кубический метр сорбента. Такие тепловые насосы экономят до 15-20% первичной энергии (топлива) для производства электричества, теплоты и холода.

Для эффективной реализации преимуществ использования АТН необходимо осуществить программу модернизации пара котельных установок и промышленных печей, добавив к ним неэлектрические сорбционные тепловые насосы, что позволит на 20-30% уменьшить потребление первичного топлива (газ, мазут, дрова, торф и т. д.) при сохранении той же производительности энергетического оборудования. Данная модернизация обойдется значительно дешевле, чем дополнительное строительство котельных установок и печей, поскольку нет необходимости в осуществлении капитального строительства. Размещение тепловых насосов происходит на уже существующих площадях, занимаемых печным и котельным оборудованием.

В Институте тепло- и массообмена НАН Беларуси выполнены новые разработки холодильных машин и тепловых насосов для применения в строительстве. Для домов индивидуального пользования большой интерес представляют адсорбционные тепловые насосы малой мощности. Опытные образцы таких устройств мощностью около 5-10 кВт и более в настоящее время проходят испытания в Китае, Германии, Голландии, Италии, Великобритании, Австрии, Японии, Испании и других странах. В последние годы сразу несколько европейских фирм (SolarNext, Vaillant, SorTech AG и др.) предлагают адсорбционные тепловые насосы мощностью 5-20 кВт, в которых применяются для регенерации адсорбента тепловые выбросы (газ, пар и т.д.) с температурой 60-100оС, солнечные водо- и воздухонагреватели или теплота сжигания природного газа (пламя). Активно разрабатываются утилизаторы теплоты автомобильных двигателей с целью ее использования для кондиционирования салона.

Представлена схема сорбционного теплового насоса 4 кВт, разработанного в ИТМО НАН Беларуси и предназначенного для нагрева воздуха и охлаждения воды. В качестве сорбентов выбрано активированное углеволокно с микрокристаллами соли на поверхности волокна и в мезо/макропорах. В погружном испарителе можно использовать холодную воду рек и озер, а также грунтовую воду с температурой 3-5°С для системы кондиционирования в качестве источника низкопотенциального тепла. Адсорберы имеют развитую оребренную поверхность, что позволяет осуществлять обогрев помещений с более высоким коэффициентом теплоотдачи в режиме вынужденной конвекции.

В настоящее время накоплен серьезный научно-технический потенциал в области исследования тепловых насосов компрессионного и сорбционного типов, а также интенсификации тепло- и массопереноса с помощью тепловых труб. Доказанная перспективность использования различных сорбционных и компрессионных устройств преобразования теплоты должна стать толчком для активного внедрения в жизнь данных энергетических технологий.

В настоящее время спрос на тепловые насосы удовлетворяется в основном за счет импорта. Программы производства тепловых насосов должны всячески приветствоваться и стимулироваться. Например, в Швейцарии 40% новых 1-2-квартирных домов снабжено тепловыми насосами, аналогичная ситуация в Австрии. Для домов индивидуального пользования большой интерес представляют адсорбционные тепловые насосы малой мощности (цеолиты/вода; силикагели + соли/вода; активированные угли/спирт, активированные угли с микрокристаллами соли/аммиак и т.д.). Применение сорбционных тепловых насосов для целей отопления и кондиционирования зданий и сооружений позволит существенно повысить эффективность использования природного газа и обеспечить его экономию.

Статьи по данной теме: