Использование тепловых насосов в мире – статистика, тенденции, перспективы. Перспективы применения тепловых насосов в россии

Перспективы применения тепловых насосов

В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установленной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. Сегодня в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.

В России общая установленная тепловая мощность ТН составляет всего 65 МВт . За последние 10 лет государственная система разработки, строительства и эксплуатации теплонасосных установок практически прекратила существование. В СССР была система нормативных документов, разработки, изготовления ТН, проектирования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения. Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (ᴦ. (Москва). Тепловые насосы выпускали на ПО ʼʼМелитопольмашʼʼ (45 – 65 кВт), экспериментальном заводе ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинском машиностроительном заводе (100 кВт), Московском заводе ʼʼКомпрессорʼʼ (300, 500 кВт), НПО ʼʼКазанькомпрессормашʼʼ (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт). В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в три раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнергопром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт. На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются их экономической и технологической востребованностью. Распространенная оценка эффективности ТН – по коэффициенту преобразования (отношению количества тепловой энергии на выходе ТН к количеству электрической энергии на его привод). По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН крайне важно в среднем затратить 30 кВт электрической мощности. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности крайне важно затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента). При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива.

Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определенная работа в данном направлении все же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта ʼʼНетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водоснабженияʼʼ. По заказу Госстроя РФ разработаны ʼʼМетодические рекомендации по применению ТН и методика расчета технико-экономической эффективности их использования в ЖКХʼʼ (разработчик – ФГУП ʼʼМНИИЭКО ТЭКʼʼ, ᴦ. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.

Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО ʼʼЭнергияʼʼ (Новосибирск) под руководством кандидата технических наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт. Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе ᴦ. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ ᴦ. Горноалтайска, на курорте ʼʼГорячинскʼʼ в Бурятии, в ᴦ. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе ʼʼМирныйʼʼ Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре ʼʼИнститут экологииʼʼ ᴦ. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе. Стоимость российских ТН составляет 90 – 100 тыс. дол./МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137 – 159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных – 1500 тыс. долл/МВт.

Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ПАО (до 2015 г. ОАО) ʼʼИнсоляр-Инвестʼʼ под руководством кандидата технических наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в теплоснабжения зданий жилого дома в микрорайоне ʼʼНикули-2ʼʼ в ᴦ.Москва, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области. Важно заметить, что для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП ʼʼМНИИЭКО ТЭКʼʼ под руководством доктора технических. наук Д. Г. Закирова . Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области. Там реализуется областная целевая программа установки ТН на объектах 30 населенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.

Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН vjuen объяснить следующие причины:

– низкая стоимость топлива, тепловой и электрической энергии;

– отсутствие государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;

– недостаточная информация и малый опыт практического применения;

низкая надежность, ограниченность типоразмеров отечественных конструкций;

– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:

– технологической востребованностью, в т.ч. при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;

– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;

– наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.

Перспективы применения тепловых насосов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Перспективы применения тепловых насосов" 2017, 2018.

Первые тепловые насосы появились около 60 лет назад, а сегодня их производство превратилось в отдельную индустрию. По всему миру функционируют сотни изготовителей тепловых насосов, которые предлагают множество различных моделей альтернативных отопительных систем с широким набором всевозможных функций.

На сегодняшний день теплонасосы являются основным видом отопления в Европе. Согласно разным источникам почти 70% всех новых зданий снабжаются системами отопления и горячего водоснабжения на базе тепловых насосов. И это легко объяснимо, так как данное оборудование обладает длинным перечнем достоинств.

Достоинства тепловых насосов

Главными преимуществами применения теплонасосов являются:

1. Использование современных энергосберегающих технологий, обеспечивающих экономическую эффективность

Тепловой насос использует электроэнергию немного эффективнее других видов котлов. При затратах на функционирование системы 1 кВт электроэнергии вырабатывается от 3-х до 4-х кВт тепловой энергии. То есть коэффициент эффективности теплонасоса намного больше единицы. Между собой агрегаты сравниваются по коэффициенту преобразования тепла (КПТ) - отношению полученного тепла к израсходованной энергии.

2. Экологичность

Аппарат при работе не сжигает топливо, а значит, не выбрасывает вредные вещества в окружающую среду. Ни в воздухе, ни на почве не накапливаются опасные для здоровья людей и природы соединения. Хладогены системы не содержат хлоруглеродов, что делает их озонобезопасными. Для планеты использование теплонасосов - это безусловное благо.

3. Возможность повсеместного использования

Если не вода, то земля и воздух есть повсюду, что позволяет использовать тепловые насосы в разных уголках Земли. При отсутствии электричества можно применять модели с дизельными или бензиновыми генераторами. Ветряные генераторы и солнечные батареи также обеспечат нужное количество энергии для отопления частного дома.

4. Многофункциональность

Тепловые насосы, оснащенные реверсивным клапаном, способны не только обогреть дом и обеспечить горячее водоснабжение, но и охладить воздух в летний зной. Летом теплонасос можно использовать как кондиционер и нагреватель воды для дома и бассейна.

5. Безопасность

При работе агрегата нет открытого огня, не используется топливо, и не выделяются опасные смеси и газы. Узлы системы не прогреваются выше 90°С, а значит, не могут стать причиной пожара. Теплонасосы не опаснее холодильников. К тому же им не вредят простои, агрегаты можно эффективно использовать даже после длительных остановок. Кроме того, используя подобное оборудование, никогда не придется столкнуться с замерзанием жидкости в системе.

Но, как и любое другое оборудование, тепловые насосы имеют недостатки.

Недостатки тепловых насосов

Главным и, возможно, единственным весомым недостатком теплонасосов является их цена. К примеру, для обогрева дома, имеющего площадь около 80 м², снабжения его горячей водой и кондиционирования воздуха летом, потребуется приобрести агрегат мощностью не менее 6 кВт и стоимостью 8-10 тысяч евро, а также побеспокоиться о монтаже, который будет предполагать создание 100-метровой скважины, а, как известно, земляные работы обходятся недешево.

Отметим также, что теплонасосы полностью оправдываю себя только в качественных зданиях, где тепловые потери составляют не более 100 Вт/м². Другими словами, чем теплее дом, тем выгоднее использовать подобное оборудование. Собственно, это правило работает со всеми видами отопления.

КПТ выше тогда, когда разница температур теплоносителя в системе и отопительном контуре минимальна. Максимальной эффективности можно добиться, используя отопление на базе теплонасоса в помещениях, где организована низкотемпературная система обогрева, например, теплый пол и тому подобное.

Перспективы использования тепловых насосов в нашей стране

Теплонасосы - надежные устройства. Период службы компрессора и контура системы превышает 30 лет. Практика использования подтверждает, что узлы и автоматика агрегатов практически никогда не выходят из строя на протяжении всего срока эксплуатации. Стоимость вырабатываемого тепла в 2,5 раза дешевле по сравнению со стоимостью тепла от газовых котлов и в 3 раза дешевле, если сравнивать с выработкой тепла централизованной системой отопления. Подогрев воды не вызывает никаких сложностей и весомых затрат, так как 75% требуемого нагрева уже сделал теплонасос.

Практика применения подобного оборудования подтверждает, что оно способно полностью обеспечить потребности в тепле. Лишь в особо холодные дни может потребоваться дополнительный обогрев.

Сроки окупаемости теплонасосов в разных странах оценивается по-разному - 2…6 лет, на это влияют расценки и субсидии на приобретение отопительного оборудования, действующие в некоторых странах.

Несмотря на то что в Швеции более половины всех зданий отапливаются геотермальными тепловыми насосами, Швейцария является лидером в Европе по их использованию, а в Японии производится свыше трех миллиона насосов в год, в России они пока не получили широкого распространения. Прежде всего, это связано с тем, что стоимость тепла, выдаваемого теплонасосом, соизмерима со стоимостью тепла, вырабатываемого газовым котлом. А, как известно, газа в стране пока хватает, котлы стоят дешевле теплонасосов, да и технология газового отопления изучена лучше.

Но, тем не менее, в России уже начался процесс применения тепловых агрегатов. Конечно, общая мощность установленного оборудования в сравнении со странами-лидерами несоизмеримо мала, но многие общественные здания Перми, Калининграда, Туапсе, Самары, Пензы, Московской и Ленинградской областей уже отапливаются по данной энергосберегающей технологии.

Тенденции к росту стоимости природного газа, а также дороговизна подключения к электрическим и тепловым сетям, несомненно, выступают теми факторами, которые дадут толчок популяризации тепловых насосов. Уже сейчас некоторые застройщики и владельцы частных домов прибегают к организации альтернативных систем отопления. И их число с каждым годом возрастает.

Липецкий государственный технический университет

Кафедра Металлоконструкций

«Перспективы использования тепловых насосов в Липецкой области»

Выполнил: Дедяев В.И.

студент группы ТВ-09

Проверил: канд. тех. Мещерякова Е.В.

наук, доцент.

Липецк 2013

Введение

История создания

Принцип действия

Виды установки

Основные достоинства и недостатки тепловых насосов

Особенности

Применение и перспективы использования

Цена тепловых насосов

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

Энергия движения молекул иссекает только при достижении абсолютного нуля -273°С.

Получается, что окружающий мир полон энергии. Энергия есть во всём земля, вода, воздух, нужно только уметь её добывать. Для этого был придуман тепловой насос в котором часть этой энергии трансформируется в тепловую.

Привычные виды энергоресурсов очень дороги в производстве и использовании и со временем иссякнут, а энергия окружающей среды нет.

По своей сути и внешнему виду тепловой насос очень похож на обычный бытовой холодильник. В обоих есть испаритель, конденсатор, компрессор, дросселирующие устройство. Цикл работы обоих строится по принципу цикла Карно.

(рис.1) (рис.2)

Тепловой насос Холодильник

Габаритные размеры

Ширина-глубина-высота

x620x1500 мм 600x630x1500 мм

История создания

Впервые понятие о тепловом насосе было разработано в 1852 году британским физиком и инженером Уильямом Томсоном, в дальнейшем доработана австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Которого в последствии стали считать изобретателем теплового насоса, так как он спроектировал и установил, в 1855 году, первый известный тепловой насос. На практике тепловые насосы стали применяться намного позже. Роберт Вебер в 40-х годах прошлого века предложил использовать тепло радиатора морозильной камеры (поместив его в бойлер) для нагрева воды. Доработав своё изобретение, он начал прогонять горячую воду по спирали и с помощью вентилятора распространять тепло с целью отопления дома. По пришествию времени Веберу пришла идея брать тепло из земли, где температура практически не изменятся в течении года. Он поместил в грунт медные трубки с циркулирующим внутри них фреоном, газ забирал тепло земли, конденсировался, отдавал тепло и возвращался обратно. Воздух, приводился в движение с помощью вентилятора и в доме становилось тепло. На следующий год Вебер продал свою угольную печь.

Принцип действия

Холодильник выкачивая тепло наружу, а тепловой насос на оборот закачивая тепло внутрь - он нагнетает тепло из воздуха, воды, земли в помещение. Почти неощутимое тепло продуктов в холодильнике очень сильно нагревает трубчатую панель конденсатора (радиатор на задней стенке), таким образом если из холодильника достать испарительную камеру, с трубами и закопать в землю то получится тепловой насос. Его теплом можно будет обогреть комнату, а если омывать радиатор водой, то её можно будет использовать в системах привычного нам отопления.

Принцип действия теплового насоса основан на цикле Карно, он состоит из четырёх стадий:

·Изотермическое расширение (на рисунке 3- процесс 1→2).

В начале процесса рабочее тело имеет температуру, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты. При этом объём рабочего тела увеличивается.

·Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке 3- процесс 2→3).

Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

·Изотермическое сжатие (на рисунке 3- процесс 3→4).

Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты.

·Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке 3 - процесс Г→А).

Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

(рис. 3)

Основные составляющие части внутреннего контура теплового насоса

·Конденсатор

·Капилляр

·Испаритель

·Компрессор, получающий энергию от электрической сети

Кроме того, во внутреннем контуре имеется:

·Терморегулятор, являющийся управляющим устройством

·Хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими характеристиками

(рис. 4)

Хладагент под давлением через капиллярное отверстие поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель в свою очередь отбирает тепло у (воздушного теплового насоса окружающей средой является - воздух, грунтового - грунт, водяного - вода), за счёт чего происходит его постоянное охлаждение. Компрессор засасывает из испарителя хладагент, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме того, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент отдает полученное тепло (температура порядка 85-1250С) в отопительный контур и окончательно переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется вновь. При достижении необходимой температуры терморегулятор размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При понижении температуры в отопительном контуре терморегулятор вновь включает компрессор. Хладагент в тепловых насосах совершает обратный цикл Карно.

Таким образом, работа теплового насоса схожа с процессом холодильника. Тепловой насос перекачивает низкопотенциальную тепловую энергию грунта, воды или воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления зимой и охлаждения объекта летом. Примерно 2/3 отопительной энергии можно получить бесплатно из окружающей среды: грунта, воды, воздуха и только 1/3 энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Иными словами, владелец теплового насоса экономит 70% средств которые, при отоплении своего дома, магазина, цеха и т.п. традиционным способом, он бы регулярно тратил на дизтопливо,газ, дрова или электроэнергию.

Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе (его называют низко-потенциальным теплом.) Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4 кВт тепловой энергии на выходе. Тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома как котеджного так и многоэтажного плана, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения.

Виды установки

Существуют несколько видов установки тепловых насосов

замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение).

Вертикальные- (рис. 5) в скажинах 50-200 м. прокрыдываются U образные коллекторы.

Горизонтальные- (рис. 6) По всему участку прокладываются коллекторы (ниже глубины промерзания). Этот способ применяется если позвояет площадь участка, так же можно применять уложив коллекторы по дну водоёма.

открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

Позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины (рис. 8).

Воздушные- (рис. 7) источником отбора тепла является воздух. Более известны как кондиционеры.

Использующие вторичное тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления, сточных вод).

Подобный вариант является наиболее подходящим для промышленных объектов, где есть источники избыточного тепла, которое требует утилизации.

·Экономичность.

Тепловой насос использует введенную в него энергию на много эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него на много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (КПТ), другое название коэффициент трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, КПТ = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно.

·Повсеместность применения.

Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля, воздух или вода найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач. Чтобы бесперебойно отапливать дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помех, спасает электрогенератор, а для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые двигатели.

·Экологичность.

Тепловой насос не только серьёзно сэкономит деньги, но и сбережет здоровье. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOx, SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов - более благоприятно чем привычные ТЭЦ или котельные. Ведь по большому счету на ТЭЦ будет сократься расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.

·Универсальность.

Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Он «умеет» отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна.

·Безопасность.

Эти агрегаты практически взрыво и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем бытовой холодильник.

·Недостатки

К ним можно отнести лишь высокую стоимость теплонасосных систем, но и она окупается со временем, так как привычные энергоносители дорожают с каждым днём а, рассеянное тепло ни куда не денется.

Особенности

При применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей.

Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, - бесполезное занятие.

Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления-обогрев от тёплых полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С.

В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). В доме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30 кВт) невыгодно. Он будет занимать много места но работать в полную силу всего лишь около месяца, зачем же переплачивать приличную сумму. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного периода. Поэтому часто мощность теплового насоса назначают равной 70-80% от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности). С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидко и твёрдо топливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например включение солнечного коллектора. Для этого, у некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае, смешивание тепла, идущего от теплового насоса и от солнечного коллектора производиться в выравнивающем бойлере.

Применение и перспективы использования

В очередном выпуске журнала «Энергосбережение» №8/2007 Рубрика: Теплоснабжение, учрежденом в 1995 году некоммерческим партнерством «АВОК» - научно-технический и обзорно-аналитический журнал для широкого круга специалистов в области отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, теплоснабжения и строительной теплофизики.

Рассматривалась тема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы.

Схема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы

тепловой насос контур городской

На основании этой статьи можно сделать вывод о том что есть огромная перспектива развития тепловых насосов на территории Липецкой области, как в мало- так и в многоэтажном секторе строительства, так как если такой огромный мегаполис как Москва с её огромными потребностями в энергоресурсах лишь существенно выиграет в денежных затратах на обеспечение комфортных условиях проживания при переходе на тепловые насосы.

Использование тепловых насосов позволит существенно улучшить экологическую обстановку в Липецкой области, так как уменьшится сжигание органического топлива. Удешевится и прокладка коммуникаций к новым зданиям и сооружениям, так как по большому счёту нужно будет только электричество и водопровод, а тепло и горячую воду можно будет вырабатывать на месте прямо в подвале дома. Газ по современным нормам в многоэтажные дома, в которых отметка пола последнего этажа выше 28м. и вовсе нельзя подавать. Существенно уменьшатся и расходы на обслуживание систем отопления и горячего водоснабжения таких домов. Получается, что экономия от всего этого составит огромную сумму.

Но как говорилось ранее использование тепловых насосов эффективно там, где здание хорошо утеплено.

Если говорить про частный жилой сектор, то сейчас практически каждый понимает, когда строит или перестраивает свой дом, о том, что его нужно хорошо утеплить, что бы меньше платить за сожжённые энергоресурсы. С модой на пластиковые газо-плотные окна люди начали избавляться от старых деревянных рам с трещинами, что в свою очередь привело к экономии тепла. Со временем пришла мода и на сайдинговую отделку домов, что в свою очередь так же ведёт к утеплению, так как под сайдинг укладывается утеплитель.

Появились новые материалы, которые обеспечивают необходимую теплозащиту здания даже при меньшей толщине стены.

К физическому износу приходят ещё доставшиеся в наследство от СССР водо-, тепло-, газопроводы, линии электропередач. Всё это требует замены и чем быстрее, тем лучше, так как магистрали изношены, на всё это требуются большие деньги. А переход на тепловые насосы позволит очень сильно сэкономить. Потому что не потребуется прокладывать ту же магистраль теплоснабжения особенно это актуально для уже застроенных районов.

Более того Распоряжением Правительства России N2446-р от 27 декабря 2010 г. утверждена госпрограмма "Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 г.". Общая выгода от реализации программы должна составить 13 триллионов 91миллиард рублей. Государство всячески поддерживает эту программу.

Цена тепловых насосов

Тепловые насосы различных производителей отличаются стоимостью, эффективностью и комплектацией. У одних производителей это, полностью укомплектованные и готовые к работе устройства. У других - только фреоновый блок, не способный работать самостоятельно, для которого нужно будет докупить комплектующие (циркуляционные насосы, датчики, автоматику...). Поэтому критерий "цена теплового насоса" не является объективным. При выборе теплового насоса иногда удобно сравнивать не цены тепловых насосов, а стоимости готовых систем отопления, горячего водоснабжения, нагрева бассейна, кондиционирования и т.д. Гораздо объективнее рассмотреть не цену одной детали теплового насоса в наборе "система отопления, горячего водоснабжения ", а стоимость всего набора в собранном и работающем состоянии "под ключ". Так для дома с отапливаемой площадью 150 - 200м2 стоимость теплового насоса «под ключ» обойдётся приблизительно в 700 тысяч рублей. Но к такому дому уже не нужно подводить газ, устраивать там систему отопления и горячего водоснабжения, что уже делит эту сумму примерно попалам. Уменьшается потребление электроэнергии и соответственно плата за неё, (если бы она была основным источником выработки тепла), почти в 3 раза.

Цена же самого теплового насоса приблизительно 150-200 тыс.рублей остальная составляющая цены это работы связанные с установкой и наладкой оборудования.

Заключение

Тепловые насосные установки целесообразно использовать при переходе 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 пунктов при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее тепловыми насосами.

Использование тепло насосных установок в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной) позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей.

Тепловые насосы всё чаще применяются как в мало так и многоэтажных домах, это ещё не очень популярный вид отопления жилища в России, но он набирает обороты, несмотря на то что первоначальные капитальные затраты высоки по сравнению с привычными видами энергоресурсов, но быстро окупаются.

Библиографический список

1. Г. П. Васильев, Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы// Энергосбережение. - 2007. - № 8.

В. Ф. Гершкович, От централизованного теплоснабжения - к тепловым насосам // Энергосбережение. - 2010. - № 3.

И. А. Султангузин, Тепловые насосы для российских городов// Энергосбережение. - 2011. - № 1.

В. Ф. Гершкович, Газовый котел или тепловой насос? // Энергосбережение. - 2010. - № 8.

Тепловой насос [Электронный ресурс].//Режим доступа: свободный. http://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловой_насос

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.

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

В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установленной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. В настоящее время в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.

Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (Москва). Тепловые насосы выпускали ПО "Мелитопольмаш" (45-65 кВт), экспериментальный завод ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинский" машиностроительный завод (100 кВт), Московский завод "Компрессор" (300, 500 кВт), НПО "Казанькомпрессормаш" (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт).

В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в 3 раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнерго-пром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт.

На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.

По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН необходимо в среднем затратить 30 кВт электрической мощности. Как показано, такое сопоставление необъективно. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности необходимо затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента).

При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива.

Таблица 9.5

Производитель		Типоряд расчетной теплопроизводительности, кВт	Расчетная температура для теплоснабжения, °С	Стоимость в долл. на 1 кВт расчетной тепловой мощности	Стадия производства
ФГУП "Рыбинский завод приборостроения"				От 291 (АТНУ-10) до 321 (АТНУ-14)	По отдельным заказам
"Карат" (Санкт-Петербург)		5, 10, 18, 25, 30, 50, 60		От 1000(ТН-КР-5) до 300 (ТН-КР-6)
ЗАО "Полад" (Тольятти)		8, 17, 6, 29, 5, 16, 40		Данные отсутствуют	- *‘’-*
ЗАО НПФ "Тритон-ЛТД" (Нижний Новгород)	НТПБ, НТВ	10, 20, 35, 60, 80, 150, 300, 500, 1000, 2200, 5000		От 420 (НТПБ-16) до 90 (НТК-500)	-‘’-
Московский завод "Компрессор"				От 294 (НТ-280-4-9-08) до 346 (НТ-410-4-9-08)	-‘’-
ЗАО "Энергия" (Новосибирск)		110, 280, 300, 500, 1000, 3000			Серийное производство

Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определенная работа в этом направлении все же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта "Нетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водоснабжения". По заказу Госстроя РФ разработаны "Методические рекомендации по применению ТН и методика расчета технико-экономической эффективности их использования в ЖКХ" (разработчик – ФГУП"МНИИЭКО ТЭК", г. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.

Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО "Энергия" (Новосибирск) под руководством канд. техн. наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт.

Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе г. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ г. Горноалтайска, на курорте "Горячинск" в Бурятии, в г. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе "Мирный" Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре "Институт экологии" г. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе (Литва). В таблице по данным справочника приведены технические и стоимостные характеристики ТН российских производителей. По данным, стоимость российских ТН: составляет 90-ПО тыс. долл/МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137-159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных 1500 тыс. долл/МВт.

Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ОАО "Инсоляр-Инвест" под руководством канд. техн. наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в системе теплоснабжения зданий "Экопарк-Фили" и жилого дома в микрорайоне "Никулино-2" в Москве, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области.

Для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП "МНИИЭКО ТЭК" под руководством доктора техн. наук Д. Г. Закирова. Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области.

Там реализуется областная целевая программа установки ТН на объектах 30 населенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки.

2. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН объясняется следующими причинами:

– низкой стоимостью топлива, тепловой и электрической энергии;

отсутствием государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;

– недостаточной информацией и малым опытом практического применения;

– низкой надежностью, ограниченностью типоразмеров отечественных конструкций;

– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.

3. Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:

– технологической востребованностью, в том числе при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;

– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;

– наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентноспособных ТН.