Будем качать тепло

Будем качать тепло?
Александр Данилов
http://esco-ecosys.narod.ru/2003_6/art117.htm
Сегодня энергосберегающие технологии становятся не просто популярными, но жизненно
необходимыми. В детстве нам любили рассказывать о неисчерпаемых богатствах полезных ископаемых
нашей Родины, что нефти газа угля и леса у нас больше, чем в любой другой стране. Нам говорили, что
бережное отношение к природным ресурсам позволит многим поколениям пользоваться теплом,
электричеством и горячей водой. А между тем ныне многие регионы России уже испытывают острую
нужду в тепле и в электричестве. Альтернативные источники получения тепла не рассматривались
именно из-за богатства природных ресурсов, и теперь нам приходится обращаться к опыту европейских
стран, не избалованных милостями природы.
Теплоснабжение в условиях России с ее долгими и достаточно суровыми зимами требует больших
затрат топлива, превосходящих почти вдвое затраты на электроснабжение. Основными недостатками
традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых
котельных), экономическая и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение - один из
основных источников загрязнения городов). Высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей
усугубляют негативные факторы теплоснабжения. Нельзя не учитывать и такой серьезный
термодинамический недостаток, как низкий энергетический КПД использования химической энергии
топлива для теплоснабжения, составляющий в системах отопления 6-10%.
Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети - вероятно, самый ненадежный элемент в системах
централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм
составляет одну аварию в год на l км длины, а для труб меньшего диаметра - около шести аварий. Если
учесть, что общая протяженность тепловых сетей в России доставляет 650 тыс. км, а в полной замене
нуждаются 300 тыс. км, становится очевидным, что строительство и поддержание тепловых сетей в
рабочем состоянии требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных. А могут
ли помочь нетрадиционные методы теплоснабжения?
Одним из них - полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30° C) природного тепла
или сбросного промышленного тепла с последующим использованием тепловых насосов.
Тепловые насосы избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного
теплоснабжения широко применяются за рубежом. Если в 1980 г. в США работало около 3 млн.
теплонасосных установок, в Японии - 0,5 млн., в Западной Европе - 0,15 млн., то в 1993 г. общее
количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а
ежегодный выпуск составил более 1 млн. единиц. Массовое производство этих насосов налажено во всех
развитых странах. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. в передовых странах доля
отопления и горячего водоснабжения тепловыми насосами составит 75 %.
Использование тепловых насосов для отопления, горячего водоснабжения и т.п. представляет собой
альтернативу сжиганию органического топлива, центральному паровому или водяному отоплению,
электрообогреву и др. Это машина, которая поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей
среды и передает ее в систему теплоснабжения потребителю в виде нагретой воды или воздуха.
Характерная особенность теплового насоса: при подводе к нему, например, 1 кВт электроэнергии, в
зависимости от режима работы и условий эксплуатации возможно получение до 3-4 кВт тепловой
энергии. Эффективность теплового насоса характеризует его коэффициент преобразования отношение тепла в кВт, полученного в насосе к затратам мощности на привод насоса. Этот
коэффициент варьируется от 2 до 4. Номенклатура выпускаемого заводом холодильного оборудования
служит основой, на которой построено производство тепловых насосов. Приведенный пример
использования тепловых насосов - это только одна из возможных схем их применения.
Источником низкопотенциальной теплоты могут быть: наружный воздух, вода рек, озер, морей,
подземные воды, грунтовое тепло, солнечная энергия, а также низкопотенциальная теплота
искусственного происхождения: сбросные воды, нагретые продукты технологических процессов,
вытяжной воздух системы вентиляции.
Принцип работы теплового насоса вытекает из работ и описания цикла Карно, опубликованного в его
диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (лорд Кельвин) в
1852 г. под названием "умножитель тепла". Она показывала, как холодильную машину эффективно
использовать для отопления. Томсон указывал, что ограниченность энергоресурсов не позволит
непрерывно сжигать топливо в отопительных печах, а его умножитель тепла будет потреблять топлива
меньше. Тепловой насос Томсона (ТН) использовал воздух в качестве рабочего тела: он засасывался в
цилиндр, расширялся, охлаждаясь от этого, а затем проходил теплообменник, где нагревался воздухом
наружным. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступал в обогреваемое
помещение нагретым до температуры выше окружающей. Подобная машина была построена в
Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при использовании только 3%
энергии, затрачиваемой на отопление.
Дальнейшее развитие теплонасосные установки получили только в 20-30-х годах двадцатого века, когда
в Англии была создана первая установка для отопления и горячего водоснабжения с использованием
тепла окружающего воздуха. Затем несколько демонстрационных установок создали в США. Первую
крупную теплонасосную установку в Европе ввели в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней
использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление
ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с
электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. Летом установка работала на охлаждение. С 1939
по 1945 гг. было создано ещё 9 подобных установо, чтобы сократить потребление угля, некоторые из них
успешно проработали более 30 лет.
Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот
цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН. Тепловой
насос можно рассматривать как обращённую тепловую машину, которая получает тепло (рис. 1.1.1) от
высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу.
Теплонасос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более
высокой.
Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем теплоснабжении и
кондиционировании воздуха, в особенности, в США, где требуется круглогодичное кондиционирование:
охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, решающий обе задачи,
выпускается уже более 30 лет, он экономичен и надежен.
В Европе, где, по крайней мере, для индивидуальных зданий круглогодичное кондиционирование не
нужно, более перспективен одноцелевой тепловой насос. В сравнении с обычными системами
центрального отопления его стоимость и эксплуатационные расходы находятся на приемлемом уровне.
Тепловой насос может использовать различные источники низкопотенциального тепла, отдавая его в
конденсаторе при повышенной температуре потоку газа, жидкости или тепловому аккумулятору,
жидкому или твердому. В большинстве случаев используется водяная система центрального отопления, в
которой горячая вода циркулирует к радиаторам в каждой комнате, или воздушная, где нагретый воздух
подается к каждой комнате по каналам. Широко применяются комнатные радиаторы, аккумуляционные
установки и конвекторы как дополнительные источники тепла. Температура в системах распределения
тепла изменяется от 40 для воздушных систем до 100° С для водяных или паровых систем. Типичная
температура воды - около 75° С.
Поскольку эффективность насоса зависит от температуры конденсации, для него желательно снижение
температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, с
помощью панелей в полах, приемлема температура 50° С. Повышение расхода циркулирующего воздуха
снизит его температуру до 35°С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях может
радикально изменить отношение к теплонасосам. Системы центрального отопления обычного типа с
котельными внутри здания обеспечивают и все домашнее горячее водоснабжение. Это следует учитывать
при конструировании тепловых насосов. Однако отопление требует больших затрат энергии, чем горячее
водоснабжение - например, в Англии они соотносятся как 60-65% и 20%.
В Европе наиболее распространена водяная система отопления, но там, где требуется круглогодичное
кондиционирование, применяется распределение нагретого или охлажденного воздуха. Воздушная
система хороша для строящихся зданий, но при реконструкции она сложнее водяной с трубами
небольшого диаметра. Воздушная система требует каналов большого сечения, а их сложно устанавливать
в существующих зданиях.
Как отопительное устройство, теплонасос не обязательно должен служить централизованной системой
на несколько комнат. Можно установить индивидуальный кондиционер в каждой комнате со своим
компрессором и конденсатором, внешним или внутренним источником тепла для испарителя. В общем,
тепловые насосы способны конкурировать с большинством обычных систем отопления и
кондиционирования.
Важной функцией теплового насоса, определяющей его популярность, является горячее водоснабжение.
В большинстве исследований роли теплонасосов в будущем основным считается отопление, но
отмечается, что горячее водоснабжение и восстановление тепла становятся все более важными по мере
роста строительству малоэнергоемких домов и "полностью интегрированных систем", основанных на
тепловых насосах.
Однако при этом выпадает основная проблема - применение тепловых насосов в уже существующих
зданиях, проблема замены одной установки, дающей одновременно и горячее водоснабжение
(центральной котельной) теплонасосом, способным одновременно решать обе задачи. Эта проблема
связана с экономичностью использования низкотемпературного внешнего теплового источника для
получения горячей воды высокой температуры.
Высокая стоимость электроэнергии препятствует её применению в широких масштабах для нагрева, и
часто отопительная система включает тандем - тепловой насос и котёл на органическом топливе. При
этом насос даёт воду, нагретую до необходимой температуры.
Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых насосов по отношению к зарубежным,
внедрение теплонасосов встречает финансовые трудности. Не последнюю роль играют новизна и
непривычность этой техники для наших потребителей. Эти проблемы преодолевались за рубежом путем
предоставления на несколько лет льгот предприятиям, внедряющим теплонасосные установки. В
большинстве стран Западной Европы на прибыль, получаемую от применения теплонасосов,
устанавливался меньший налог, а иногда были прямые финансовые дотации. Австрийским фирмам,
использующим тепловые насосы, установлена дотация до 100 тыс. шиллингов, а ФРГ в начале 90-х годов
таким фирмам предоставлялась налоговая скидка до 7,5% капитальных затрат (при условии их
капитализации), что равноценно дотации в размере до 20% затрат на теплонасосные установки. В итоге в
Австрии сейчас работают 105 тыс. тепловых насосных станций, дающих ежегодную экономию 116 тыс.
тонн мазута.
Таким образом, повсеместное внедрение тепловых насосов позволит сэкономить значительную часть
современных энергоносителей и капиталовложений для их оплаты, обеспечить теплом "проблемные" в
этом отношении регионы, направить средства на развитие производства или инфраструктуры
предприятия. Применение таких насосов в отдельных зданиях позволит регулировать теплорежим в
помещениях, делая его наиболее комфортным. Ведь Европа не зря применяет тепловые насосы - может
быть, и нам стоит обратить внимание на столь полезный и выгодный опыт развитых стран?