Тепловые насосы

До недавнего времени  считалось, что применение ТНУ на предприятиях, снабжаемых теплом от ТЭЦ заведомо неэкономично. Сейчас эти оценки пересматриваются. Во-первых, с учетом возможности применения рассмотренных выше технологий, используемых в жилищно-коммунальном секторе при централизованном теплоснабжении. С другой стороны, реальные соотношения цен на электроэнергию, тепло ТЭЦ и топливо вынуждают некоторые предприятия переходить на собственные генераторы теплоты, и даже электроэнергии. При таком подходе применение ТНУ наиболее эффективно. Особенно большую экономию топлива дают «мини-ТЭЦ», базирующиеся на дизель-генераторе (в том числе, работающем на природном газе), осуществляющем одновременно привод компрессора теплового насоса, который в свою очередь, обеспечивает отопление и горячее водоснабжение предприятия.

Перспективным для существующих предприятий является применение ТНУ  в сочетании с использованием теплоты вентвыбросов. Воздушное отопление характерно для многих промышленных предприятий. Установки утилизации теплоты вентвыбросов позволяют предварительно нагреть поступающий в цех наружный воздух до + 8 °С. Температура сетевой воды, нагреваемой в ТНУ, требующаяся для нагрева отопительного воздуха не превышает 70 °С.. При этих условиях ТНУ может работать при достаточно высоком коэффициенте преобразования.

Многие перерабатывающие предприятия, особенно пищевой промышленности, одновременно с теплом нуждаются в искусственном холоде. Комбинированные теплонасосные системы «тепловой насос - холодильная машина», одновременно вырабатывающие теплоту и холод, наиболее экономичны и могут быть оптимально встроены в технологические процессы.

Многие технологические  процессы сельского хозяйства 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. Например 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. Так же с вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве низкопотенциального теплоисточника для малых тепловых насосов. Применение ТНУ на животноводческих фермах обеспечит одновременно кондиционирование воздуха в стойловых помещениях и теплоснабжение производственных помещений.

Курортно-оздоровительные и спортивные комплексы

Тепловые насосы все чаще находит применение среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов, прежде всего, в здравницах на морском побережье или рядом с озерами или реками. В районах их расположения 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 или озерная вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время эта же вода может являться приемником теплоты конденсации холодильной машины.

По аналогичной схеме  работают комбинированные теплонаносные  системы спортивных комплексов - спортивных залов, плавательных бассейнов, аквапарков, ледовых арен и стадионов. В качестве источника низкопотенциальной теплоты, при отсутствии вблизи водоема (моря, реки, озера), используется теплота подземных вод или грунта.

Экономические и экологические аспекты  
внедрения тепловых насосов

Экономия первичного топлива

Одно из важных преимуществ  использования тепловых насосов  является использование для теплоснабжения потоков низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР) и природной теплоты.  Это значительно расширяет ресурсную базу теплоснабжения, делает ее менее зависимой от поставок топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости органического топлива.

Одновременно утилизация низкопотенциальной теплоты в промышленности создает хорошие предпосылки  для повышения эффективности  использования энергии на предприятиях, снижения себестоимости выпускаемой продукции и роста рентабельности. Например, утилизация низкопотенциальной теплоты в системах оборотного водоснабжения предприятий позволяет существенно снизить расход подпиточной воды и объем отведения сточных вод, более экономно расходовать электроэнергию. Утилизация теплоты городских сточных вод повышает эффективность работы городских очистных сооружений и сокращает тепловое загрязнение водоемов.

Теплонасосные установки позволяют рационально использовать электроэнергию в системах теплоснабжения. До сих пор использование электроэнергии с преобразованием ее в теплоту воспринимается энергетической отраслью как нерациональное и ущербное. При этом, как правило, ссылаются на неэффективность двойной трансформации теплоты первичного топлива в электроэнергию и электроэнергии в теплоту, а также на более высокие затраты на производство электроэнергии по сравнению с тепловой энергией. Следует заметить, что такая позиция энергетической отрасли сложилась в условиях, когда электроэнергия использовалась для производства тепла напрямую, в различных электронагревателях и электрических котлах.

При использовании ТН электроэнергия потребляется для переноса теплоты от источника НПТ со сравнительно низкой температурой в теплоту сети теплоснабжения с повышенной температурой, то есть одновременно реализуется как тепловое, так и силовое качество электроэнергии, благодаря чему достигается экономия первичного энергоресурса. По существу, расходуемая в тепловом насосе электроэнергия замещает высококачественное топливо: уголь, природный газ и жидкое топливо.

Основной смысл экономического вопроса в применении ТН с электроприводом  заключается в правильной и объективной  оценке эффективности такого замещения  как по расходу первичного энергоресурса, так и по уровню затрат. Расчеты  показывают, что пропорции в названном размене складываются в пользу ТН.

На рисунке 2.1 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в системы энергоснабжения  объектов городского хозяйства. Как  видно из рисунка, предлагаемая схема  обеспечивает экономию 58 % первичного топлива (при коэффициенте преобразования 3).

Применение тепловых насосов с электроприводом не сокращает централизацию теплоснабжения, а переводит ее на более качественный уровень, присущий электроснабжающим  системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется  до 20% потребляемой теплоты.

Существенный дополнительный эффект может быть получен от тепловых насосов, работающих с аккумуляторами теплоты и потребляющих электроэнергию в период ночного провала суточного графика электрической нагрузки в энергосистеме. При этом достигается обоюдная экономическая выгода: для владельца теплонасосных установок – за счет пониженной платы за электроэнергию по ночному тарифу, а для энергосистемы – за счет снижения себестоимости производимой электроэнергии при уплотненном графике электрической нагрузки.

Достаточно эффективно тепловые насосы могут использоваться непосредственно в действующих  теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут применяться для снижения температуры обратной сетевой воды с обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен.

Для тепловых насосов  характерна свобода выбора привода для его работы. Бесспорно, электропривод является самым распространенным устройством, связывающим тепловой насос с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода могут применяться детандер-генераторные установки, использующие избыточное давление природного газа в газоснабжающей системе, небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Последние обладают определенным преимуществом перед другими видами привода, поскольку дают возможность догрева теплоносителя после ТН отходящими продуктами сгорания до температуры, существующей в местных системах теплоснабжения.

Преимущество тепловых насосов состоит также и в том, что они могут применяться в комбинации с другими нетрадиционными теплоисточниками, такими, как солнечные водонагреватели, биоэнергетические установки, установки по переработке и сжиганию твердых бытовых отходов.

Рис.2.1. Возможная схема  интеграции тепловых насосов  
в систему энергоснабжения

Тепловые насосы имеют существенные отличия от традиционных  источников, которые необходимо учитывать при их экономическом выборе. При этом, в настоящее время нет общепризнанной методики экономических обоснований эффективности применения тепловых насосов. Ее разработка во многом осложнена отсутствием единой типовой методики технико-экономических расчетов, утвержденной на государственном уровне. Применяемая сейчас при составлении бизнес-планов методика оперирует критериями чистой дисконтированной прибыли и связывает выбор того или иного технического решения с экономическим интересом инвестора, ставя этот выбор в зависимость от существующей на данный момент налоговой системы, тарифной и ценовой политики и других факторов,  которые с течением времени могут меняться.

Надежность и эксплуатационные характеристики систем на базе тепловых насосов

Помимо весьма высокой  эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который  обеспечивает чрезвычайную долговечность  и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:

- бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух» – 15 лет;

- тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;

- тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух» – 20 лет.

Цифры весьма внушительные и лишний раз подтверждают высокое  качество этих агрегатов. В их пользу говорит и такой факт: исследование проводилось на машинах, оснащенных большей частью переменными герметичными компрессорами. Если бы проверка проводилась в наши дни, результаты могли бы быть еще более впечатляющими, поскольку ныне почти повсеместно применяются спиральные компрессоры.

Результаты, полученные экспертами ASHRAE (рис.2.2, 2.3), нашли подтверждение в данных других исследований. Институт EPRI еще в 1990 году провел опрос сотрудников трех энергетических компаний об установленных у обслуживаемых ими пользователей тепловых насосах общим количеством 4 557 единиц в различных регионах Соединенных Штатов. По результатам этих исследований спустя 15 лет после ввода в эксплуатацию тепловых насосов больше половины из них продолжали успешно работать. В этом исследовании большей частью фигурировали агрегаты с герметичными компрессорами переменного типа, примерно в половине случаев с момента установки они не менялись. Следует подчеркнуть, что это были реверсивные тепловые насосы, имеющие два рабочих режима – отопления и охлаждения, то есть агрегаты, которые работали на износ практически круглый год. Замены, произведенные на второй половине аппаратов, были обусловлены их моральным старением, а не поломкой (то есть потребитель предпочел установить более современные модели).

Развитие и совершенствование  технологии изготовления тепловых насосов последних лет еще более утверждают в преимуществе этих систем перед газовыми котлами.

Рис. 2.2. Процент сохранения работоспособности тепловых насосов по данным исследования института EPRI. Разница обусловлена в основном климатическими особенностями обследуемых регионов

Рис. 2.3. На момент опроса (рис. 2.1) большая часть аппаратов  
продолжала успешно работать. Значительная часть аппаратов,  
которые были заменены, была в рабочем состоянии

Преимущества тепловых насосов в сравнении с газовым, дизельным и электрическим отопительным оборудованием приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Технико-экономические характеристики различного типа отопительного оборудования (180 м² отапливаемой площади) при теплопотерях 60 Вт на 1м²)

Котел  Х