Статьи и Информация

Детальные материалы по технологии «Теплового насоса»

Детальные материалы по технологии «Теплового насоса»

О деятельности компании ООО «ИЭТ-Геотерм».

Открыв в Интернете веб-сайт www.teplovoy-nasos.com, Вы получите предварительную информацию о компании ООО «Инэнерготех-Геотерм» и основном её проекте: «Тепловые насосные установки (ТНУ) – энергетика XXI века». 

История тепловых насосов (ТН).

Прометей дал человеку огонь, а лорд Кельвин (Уильям Томсон) в 1852г. дал человечеству тепловой насос – удивительный инструмент для производства тепла якобы ниоткуда. На самом деле принцип действия термодинамического цикла был представлен ещё в работах Карно (т.н. «цикл Карно» хорошо известен из школьного курса физики) в начале XIX века. Лорд Кельвин предложил практическое применение этого феномена, назвав его «умножителем тепла». Уже тогда Кельвин считал, что в силу ограниченности запасов невосстанавливаемых энергоисточников у его изобретения большое будущее, а затраты на отопление должны составлять всего 3% от существующих. В его «умножителе тепла», или как сейчас называют, тепловом насосе (heatpump), в качестве теплоносителя использовался воздух; он расширялся (при этом охлаждаясь) в специальной ёмкости, затем подавался в теплообменник, где нагревался наружным воздухом. При последующем сжатии до атмосферного давления воздух нагревался до температуры выше окружающей и после этого подавался в обогреваемое помещение, вызывая удивление окружающих людей.

Патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах ХХ века, когда в Англии была создана первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.

Одной из старейших ТН систем можно считать здание Объединённой штаб-квартиры освещения в New Haven, штат Connecticut, которая работает, начиная с 1930 года. Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60°С при мощности 175кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. В период с 1939 по 1945 года было создано ещё 9 подобных установок, с целью сокращения потребления угля в стране. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет.

Толчок к развитию системы тепловых насосов (ТН) получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития системы тепловых насосов (ТН) устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счёт применения современных технологий тепловые насосы стали доступны многим людям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

Применение тепловых насосов в мире.

На сегодняшний день тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающейсистемой отопления и кондиционированияТепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде, странах Европейского Сообщества, развитых странах Юго-Восточной Азии и Африки. Тепловые насосы (ТН) устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах.

Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскрёбе Нью-Йорка «The Empire State Building».

К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют.

В США ежегодно производится около 1млн. тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой воды + 8°С.

В Германии в эксплуатации находятся сотни тысяч теплонасосных установок, которые используются в водяных, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. Преобладают тепловые насосы с электроприводом. Кроме того, применяют сотни теплонасосных установок большой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. Источниками теплоты служат воздух (наружный и вытяжной), грунт, вода и др. Крупные теплонасосные установки мощностью от 30 до 150 МВт работают, как правило, в системах централизованного теплоснабжения. Построено несколько десятков абсорбционных тепловых насосов единичной тепловой мощностью до 4 МВт.

В настоящее время в Германии выделяется самая крупная среди развитых стран государственная дотация из бюджета: за 1 кВт тепловой мощности пущенного в эксплуатацию теплового насоса выплачивается до 300 евро, и это при том, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире.

В Швейцарии первые теплонасосные установки были построены еще в 30-х годах 20-го века. Сейчас в эксплуатации находятся десятки тысяч теплонасосных установок в основном небольшой тепловой мощности.

Построены крупные установки для работы в системах централизованного теплоснабжения. Самой крупной из них является установка в г. Лозанне тепловой мощностью 7,0 МВт с электроприводом. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается за три ближайших года увеличить втрое производство теплоты тепловыми насосами. Для реализации этой программы выделяются значительные инвестиции.

Структура действующего парка тепловых насосов по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность теплового насоса, по-видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100 кВт.

Тепловая мощность мирового парка тепловых насосов, по минимальной оценке, составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты - 1 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. т условного топлива. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано в первую очередь на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах наиболее распространены воздухо-воздушные реверсивные теплонасосные установки, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе преобладают водо-водяные и водо-воздушные. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое использование систем централизованного теплоснабжения привели к развитию крупных теплонасосных установок. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются тепловые насосы с приводом от газового двигателя и абсорбционные.

В США в настоящее время эксплуатируют миллионы теплонасосных установок и из них более половины в жилищно-коммунальном секторе. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные теплонасосные установки с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. Выпускают тепловые установки более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают теплонасосными установками.

Быстрыми темпами развиваются системы теплоснабжения жилых и общественных зданий с использованием   источников низкопотенциального и приёмников высокопотенциального тепла (ИНТ-ПВТ) типа грунт-вода. Разработаны высокоэффективные технологии и технические средства отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов (за выброс С02 при сжигании топлива) и поощрений за использование ИНТ в целях теплоснабжения.

В Швеции с начала 80-х годов 20-го века развитие теплонасосных установок происходит очень интенсивно. В этой стране характерно использование крупных установок тепловой мощностью более 30 МВт. Источником низкопотенциальной теплоты служат в основном очищенные сточные воды, морская вода и сбросная вода промышленных предприятий. Среди этих теплонасосных установок наиболее крупные расположены в городах Мальме (40 МВт), Упсала (39 МВт) и Эребру (42 МВт).

Наиболее мощная (320 МВт) Стокгольмская установка, использующая в качестве ИНТ воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду до 4 - 2 °С. Себестоимость теплоты от этой установки на 20% ниже себестоимости теплоты от котельных. Количество теплоты, вырабатываемой теплонасосными установками в Швеции, уже составляет около 50% требуемой.

Технология теплового насоса (ТНУ) в России.

Применение и особенно производство тепловых насосов в нашей стране развивается с большим опозданием. Пионером в области создания и внедрения тепловых насосов в бывшем СССР был ВНИИхолодмаш. В 1986-1989 гг. ВНИИхолодмашем был разработан ряд парокомпрессионных тепловых насосов теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт двенадцати типоразмеров, типа "вода-вода" (в том числе морская вода в качестве ИНТ для тепловых насосов теплопроизводительностью 300... 1000 кВт), "вода-воздух" (тепловые насосы на 45 и 65 кВт). Большая часть тепловых насосов этого ряда прошла стадию изготовления и испытания опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (тепловые насосы теплопроизводительностью 14; 100; 300; 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. и почти до 1992 г. может быть оценен в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих тепловых насосов оценивается в 40 МВт.

Примером может служить созданный в этот период тепловой насос мощностью 5 МВт на базе центробежного компрессора для теплонасосной установки целлюлозно-бумажного комбината ПО "Светогорск" (Карелия). Эта установка общей тепловой мощностью 27 МВт утилизировала теплоту сбросной воды с температурой 30.. .35°С охлаждающей системы технологических аппаратов в цехах и повышала до 75...80°С потенциал сбросной воды, которая использовалась в системе теплоснабжения целлюлозно-бумажного комбината и г. Светогорска.

Хорошо зарекомендовали себя холодильно-нагревательные машины типа ТХУ для молочных ферм, которые утилизировали теплоту охлаждаемого молока для технологических нужд.

В этот период институтом был разработан целый ряд принципиально новых тепловых насосов - абсорбционных, компрессионно-ресорбционных, компрессионных, работающих на бутане и воде в качестве рабочего вещества и др.

Последующий период по известным причинам характеризовался спадом спроса на такое новое энергетическое оборудование, каким являются тепловые насосы. Многие освоенные машины и новые разработки оказались невостребованными.

Однако в последние годы картина стала меняться. Возникли реальные экономические стимулы для энергосбережения. Это связано с ростом цен на энергоносители, а также с изменениями в соотношениях тарифов на электроэнергию и различные виды топлива. Во многих случаях на первый план выступают требования экологической чистоты систем теплоснабжения. В частности, это относится к элитным индивидуальным домам. Появились новые специализированные фирмы в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах, проектирующие теплонасосные установки и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введен в эксплуатацию парк тепловых насосов общей тепловой мощностью около 50 МВт.

В настоящее время в Минпромэнерго РФ реализуется программа "Развитие нетрадиционной энергетики России до 2015 года''. Она включает раздел по развитию теплонасосных установок.

В основу программы положены реальные проекты, которые осуществляются в этот период.

Большинство из примерно 30 крупных проектов предусматривают использование теплонасосных установок для жилищно-коммунального сектора, в том числе в системе централизованного теплоснабжения.

Ряд работ будет выполняться в рамках региональных программ энергосбережения и замены традиционных систем теплоснабжения теплонасосными установками (Новосибирская обл., Нижегородская обл., Норильск, Нюренгри, Якутия, Дивногорск, Красноярский край). Среднегодовой ввод тепловых мощностей составит около 100 МВт.

При этих условиях выработка теплоты всеми работающими тепловыми насосами в 2010 г. составила 2,2 млн. Гкал, а замещение органического топлива - 160 тыс. т условного топлива. К 2010г. расширены производственные мощности для выпуска тепловых насосов тепловой мощностью до 100 кВт в количестве до 10 тыс. в год (суммарная тепловая мощность годового выпуска 300 МВт). Таким образом, в России наметился прорыв в распространении теплонасосных установок.

Что касается тепловых насосов большой тепловой мощности (от 500 кВт до 40 МВт), то после 2010г. предполагался ежегодный ввод тепловых мощностей в среднем 280 МВт, а после 2015г. - до 800 МВт. Это связывали с тем, что в данный период планировалось широкое применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения. Но реальная экономическая ситуация в РФ не позволила реализовать эту программу полностью.

Ниже приводится краткая аннотация наиболее крупного объекта, представленного ЗАО "Энергия" (Новосибирск). В этом проекте наглядно раскрываются энергетические, экономические и экологические аспекты применения теплонасосных установок.

Проект относится к теплоснабжению Дивногорска, Красноярского края, расположенного в непосредственной близости от Красноярской гидроэлектростанции (ГЭС) на Енисее. В настоящее время этот город с численностью населения около 40 тыс. человек отапливается с помощью электрокотельных. Потребность в теплоте для отопления и горячего водоснабжения составляет около 120 МВт. Возросшая стоимость электроэнергии приводит к тому, что более 50% годового бюджета города расходуется на теплоснабжение жилья и социальной сферы.

Переход на альтернативный источник тепловой энергии - первоочередная задача администрации города. Круг возможных альтернативных решений весьма узок: теплонасосные установки с использованием воды Енисея в качестве источника низкопотенциальной теплоты или угольные котельные, так как природным газом Красноярский край не располагает.

Второй путь для Дивногорска неприемлем из-за того, что город и его окрестности - это зеленая зона отдыха жителей Красноярска. Установка там угольных котельных при своеобразном рельефе местности приведет к сильнейшему загрязнению этой рекреационной зоны окислами азота, серы и золой, содержащей тяжелые металлы.

Единственно приемлемое альтернативное решение - перевод жителей Дивногорска на теплоснабжение от тепловых насосов.

Источником низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов будет служить вода Енисея, температура которой колеблется от 1,5...2,0°С, зимой до 10...11°С летом.

Это решение позволит решить и другую весьма серьезную экологическую проблему. После создания Красноярской ГЭС из-за мощной диссипации энергии падающего потока воды в нижнем бьефе температура в самые сильные морозы не опускается ниже 2°С.

В результате ниже по течению от плотины на расстоянии 150... 180 км вода не замерзает, и в сильные морозы это открытое зеркало воды становится причиной густых туманов практически в течение всей зимы, что значительно ухудшило микроклимат в Красноярске.

Если полностью перевести Дивногорск на теплонасосное теплоснабжение, речная вода будет охлаждаться на 1°С, что обеспечит образование ледяного покрова на Енисее в районе Красноярска.

Крупные тепловые насосы на базе центробежных компрессоров для этого проекта разрабатывает ОАО "ВНИИхолодмаш-Холдинг".

Реализация проекта позволит снизить годовой расход электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение города на 400 000 МВт ч и высвободить соответствующую мощность Красноярской ГЭС; получить экономию бюджетных средств города в 100 млн. руб. в год; отказаться от применения других альтернативных систем отопления, ухудшающих экологическую обстановку в городе; улучшить экологическую обстановку в регионе в результате ликвидации незамерзающей поверхности воды в реке ниже бьефа.  

В настоящее время начато проектирование первой очереди теплонасосного теплоснабжения. Работа осуществляется в рамках губернаторской программы. Ориентировочная стоимость всего проекта 400 млн. руб.

Не отстаёт от прогресса в теплохладоснабжении и Краснодарский крайТепловые насосы уверенно вступили на территорию Кубани.

Первым крупным зданием, оборудованным тепловым насосом (ТН) в Краснодарском крае, стала школа в Усть-Лабинске, общая площадь обогреваемых помещений составила 6300м2, это первая в России государственная школа, имеющая комфортную систему отопления и кондиционирования.

В Краснодарском крае закончены или находятся в стадии строительства административно-гостиничный комплекс в Краснодаре (S=10000м2); гостиница в Адлере (45 номеров, S=3000м2); торговый центр в Кропоткине (S=1700 м2), торговый центр в г. Армавире (S= 2500 м2); храм (S= 3000 м2) в монастыре возле станицы КаменномостскаяАдыгея; технопарк (S= 3000 м2) в поселке Розовый, Лабинского района; в 2008 г. запущена в работу тепловая насосная установка (ТНУ) мощностью 1 МВт в гостинице мотеля на 220 мест поселка Ольгинка, Туапсинского района общей площадью 13000 кв.м. и другие объекты.

ООО «ИЭТ-Геотерм» активно работает на территории Краснодарского края. На сегодняшний день выполнены проекты и запущена в работу тепловая насосная установка (ТНУ) мощностью 320 кВт в гостинице в г. Краснодаре, на ул. Горогороды, работают тепловые насосы (ТНУ) на частных коттеджах в г. Сочи, выполняются монтажные работы тепловых насосов (ТНУ) на гостиничном комплексе в пос. Красная поляна мощностью 1,3 МВт и многофункциональном комплексе «Квартал» в г. Сочи, в работе находятся проекты еще нескольких объектов.

Принцип работы ТН (концентратор низкопотенциального тепла).

Что же такое тепловой насос? Как правило, фраза тепловой насос ассоциируется с насосами   циркуляционнымиТепловой насос, действительно выполняет функцию насоса, но только лишь в том аспекте, что он выкачивает тепло из земли, воды, воздуха. На этом аналогия и заканчивается.

Тепловой насос, скорее, родной брат всем знакомого нам холодильника, только наоборот. Задняя стенка холодильника всегда теплая, а в морозильной камере всегда холодно. Из морозильной камеры постоянно извлекается тепло, которое потом выводится наружу через заднюю стенку холодильника. В тепловом насосе тепло извлекается не из ограниченного пространства в виде морозильной камеры, а из окружающей среды: земли, воды, воздуха. И потом используется для отопления помещений.

Данная техника надежная, автоматизированная, экономичная, экономит деньги и бережет здоровье жителям дома. Эти агрегаты взрыво-пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов.

Принцип работы теплового насоса, как уже отмечалось, аналогичен принципу действия холодильника (рис.1). У обоих есть испаритель, компрессор, конденсатор и дросселирующее устройство. Цикл работы у холодильника и теплового насоса абсолютно одинаков, а разнятся только параметры настройки. Фреон подбирается такой, чтобы мог закипеть даже при минусовой температуре. Поэтому, когда совсем холодную воду прогоняют через каналы испарителя, жидкий фреон все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100 градусов). Затем, сжатый фреон направляется в теплообменник конденсатора, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей воде, которая подогревается до температуры +60С. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения, а фреон, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Цикл завершился, и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

Физические процессы ТН и термодинамическая эффективность.

В славном семействе электрических систем отопления тепловые насосы пока что еще менее всех известны. И потому о них ходят самые невероятные слухи. Что никому они не по карману и потому их изготавливают на заводах поштучно, только по заказам богачей. Что агрегаты эти, не потребляя никакого топлива, и зимой и летом берут тепло из ...ничего, из воздуха. И вообще это - perpetuum mobile, фантазия оставшихся без работы и одуревших от безделья ученых «оборонки», подхваченная падкими на сенсации журналистами.

Между тем все это правда. Почти правда. Настоящая правда еще более фантастична. Тепловой насос способен отбирать тепло не только из воздуха, но и из воды, из земли, и даже, простите, из канализации. Для того чтобы ближе познакомиться с принципом его работы, вспомним ...анекдот про чукчу, который грелся в холодильнике. Собственно, хотим обратить ваше внимание не на находчивость представителя малочисленной народности, а на холодильник, выступающий в роли обогревателя. Задумывались ли вы над тем, как морозильник работает? Скажете, что тут сложного? Фреон (в последнее время другие хладагенты), подгоняемый насосом, циркулирует по трубам и охлаждает продукты. Все верно. Но откуда бегающий по трубам фреон берет холод, если на кухне никогда не бывает морозов? Вы скажете, не холод доставляется в морозильную камеру, а тепло отбирается у хранящихся продуктов. Во-о-о... теплей-теплей... А обратили ли внимание на то, что арматура на задней стенке холодильника, представляющая собой радиатор для охлаждения трудяги-фреона, всегда теплая, а порой даже горячая? Откуда это тепло? От продуктов! Да-да, от задубевших и обледеневших продуктов...

Не вдаваясь в подробности физики процесса, скажем лишь, что тепловой насос - как же не насос, если закачивает в дом тепло, добытое из бог весть чего, находящегося за окном! - это повернутый задом на перед холодильник (да простят меня ученые за столь вольное толкование их изобретения), у которого холодильная камера на улице, а разогревшийся радиатор в помещении.

А если говорить деловым языком, тепловые насосы - это компактные отопительные установки, предназначенные для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений. Они экологически чисты, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу, чрезвычайно экономичны, поскольку, потребляя, к примеру, 1 кВт электроэнергии для циркулирования хладагента, производят до 3 - 5 кВт тепловой энергии.

Применение тепловых насосов различной модификации является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезонности и условий работы достигать максимальной эффективности в их работе.

Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10-15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Срок окупаемости оборудования не превышает 2-3 отопительных сезонов.

На рынке России тепловые насосы - новинка, однако в развитых странах эти устройства производятся и успешно эксплуатируются уже более 50 лет.

Принцип работы теплового насоса.

Тепловой насос - это машина, которая поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей среды с температурой 4-6°С и выше и передает ее в систему теплоснабжения потребителей в виде нагретой воды или воздуха. Передача тепла производится рабочим телом - хладагентом (фреоном). Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение фреона по системе с помощью компрессора точно так же, как в холодильных машинах. Система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Зимой система передает тепло неостывшей земли в дом. Этот же цикл используется и при нагреве воды. Летом излишки тепла в доме передаются через теплообменник в обратном направлении.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для обогрева дома может быть использовано тепло естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающихприродных водоемов). Тепловые насосы комплектуются системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника и будет тем выше, чем более высокую температуру источник будет иметь.

Эффективность тепловых насосов.

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования или отопительный коэффициент (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

COP = Qr / N = (Qc + N) / N = EER+1 = То / ( Тk– То ) + 1;

EER = Qc / N.

где Qr - энергия, отдаваемая ПВТ;

Qc - тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;

N - затраченная электроэнергия;

Тk и То - температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

Температура Тк определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а То - температурой ИНТ. Так, если принять То = 281,16 К (8 °С) и Тk = 323,16 К (50 °С), то СОР будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то различные хладагенты позволят достичь следующих температур : R717, R502, R22 - около +50 °С, R134 +70 °С, R142 – до +100 °С. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод, например охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то

COP + EER = (Qr + Qc) / N.

При равнопотенциальном цикле Qr = Qc

COP + EER = 2Qc / N + 1 = 2EER + 1.

При указанных выше температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать значения 12,7, что характеризует высокую энергетическую эффективность насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3-5.

В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования ниже компрессионных из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так при использовании грунтовых вод с То = 281,16 К (8°С) и температурой полезного тепла 323,16 К (50°С), коэффициент преобразования абсорбционного TН составит всего 1,45. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должен быть не меньше 150°С.

Виды ТНУ в зависимости от источника низкопотенциального тепла (ИНТ).

Из воды. В качестве ИНТ может быть использована вода ближайшего водоёма – тепловой насос (ТН) с открытым циклом, когда теплоноситель подаётся из водоёма и, охлаждённый после прохождения цикла, возвращается обратно, или же закрытым, когда теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру.

ИНТ может быть доставлен из пробуренной на участке скважины (открытый цикл), отдав свою энергию в теплообменнике, охлаждённая вода, сбрасывается в другую скважину, расположенную на расстоянии не менее 30м. от первой.

При этом вода из скважины может использоваться для бытовых нужд и водоснабжения.

Принято считать, что 1м скважины достаточно для получения на входе в ТН 50Вт тепловой энергии, т.е. скважины в Московской области с суммарной глубиной 200м не только обеспечат потребителя водой, но и смогут заменить отопительную систему в 15кВт – вполне достаточную для отопления коттеджа.

Из земли. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведёт к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса (ТН) с высоким коэффициентом преобразования. Отбор тепла производится теплоносителем (например, 30% раствор этилового спирта или этиленгликоля) через уложенный в земле на глубине 1 - 1.5 метра коллектор, состоящий из системы полиэтиленовых труб на расстоянии 1м. друг от друга.

Наилучшим условием для работы такой системы является высокий уровень грунтовых вод на участке (1м. коллектора даёт до 30Вт тепловой энергии на входе в тепловой насос (ТН)).

Теплоноситель из коллектора подаётся в тепловой насос (ТН), где тепло грунта преобразуется в тепло, достаточное для обогрева помещений. В замкнутом цикле участвует электроэнергия, затрачиваемая на перекачивание жидкости по коллекторам.

Из воздуха. Источником низкопотенциального тепла может быть атмосферный воздух, с температурой не ниже -20°С. Однако наличие вблизи от потребителя (ТН) источника тепла от коммунального хозяйства или промышленных предприятий делает возможным вариант утилизации тепловых выбросов вентиляции. Сам тепловой насос (ТН) можно размещать вне или внутри зданий. Воздух подаётся встроенным в тепловой насос (ТН) вентилятором на испаритель через воздушные каналы, при этом происходит охлаждение воздуха и отбор тепла.

Применяются для теплоснабжения зданий и отличаются простотой монтажа и небольшими габаритами.

Технология теплового насоса обладает уникальной универсальностью.

В силу обратимости рабочего процесса, тепловой насос (ТН) может работать эффективно как в режиме теплоснабжения объекта в холодное время, так и в режиме хладоснабжения – в жаркое время года (кондиционирование помещений).

ТНУ как «неконкурент», а способ повышения эффективности существующих систем теплоснабжения.

При реальной рыночной экономике в России тепловые насосы имеют перспективу дальнейшего расширения применения, а производство тепловых насосов может стать соизмеримым с производством холодильных машин соответствующих классов. Эта перспектива может быть оценена при рассмотрении условий тепло-энергоснабжения в основных областях применения теплонасосных установок: жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курортно-оздоровительных и спортивных комплексах, в сельскохозяйственном производстве.

В жилищно-коммунальном секторе теплонасосные установки находят наибольшее применение (и в мировой, и российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Здесь можно выделить два направления:

•   автономное теплоснабжение от теплонасосных установок;

•   использование теплонасосных установок в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения.

Особенность теплоснабжения в России (в отличие от большинства стран мира) - широкое распространение систем централизованного теплоснабжения в крупных городах.

Одновременная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ имеет бесспорные преимущества с точки зрения, использования топлива. Многолетнее развитие этого направления позволило достичь достаточно высокой эффективности, приобрести большой опыт в эксплуатации систем централизованного теплоснабжения. И хотя эти системы имеют ряд технологических и экологических недостатков, они реально существуют и подлежат совершенствованию.

При совершенствовании систем централизованного теплоснабжения необходимо учитывать следующие факторы:

•   огромные выбросы низкопотенциальной теплоты, прежде всего системой охлаждения технической воды на ТЭЦ, увеличивающиеся в период снижения тепловой нагрузки в неотопительный период;

•   резко возрастающий пережог топлива при выработке электроэнергии в условиях снижения тепловой нагрузки;

•   большие затраты теплоты на нагрев сетевой воды, восполняющей ее потери в теплосетях;

•   дефицит сетевой воды во многих районах города из-за ограниченной теплопропускной способности существующих сетей. 

О масштабах этих факторов можно судить по статистическим данным выработки теплоты для теплоснабжения городов. В последние годы отпуск теплоты на ТЭС РАО "ЕЭС России" составлял 600... 650 млн. Гкал, а на районных котельных - около 50 млн. Гкал в год. Выброс низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения технической воды составлял 140... 150 млн. Гкал, что эквивалентно 24...26 млн. т условного топлива. В системе АО "Мосэнерго" выбросы в системах охлаждения технической воды на ТЭЦ Москвы составляют 45...50 млн. Гкал в год, что равносильно потере 7,2...8 млн. т условного топлива в год.

Технически возможна утилизация до 45% низкопотенциальной теплоты (около 10% от количества отпускаемой теплоты). В системе РАО "ЕЭС России" это эквивалентно замещению 106 млн. т условного топлива. При этом может быть достигнуто замещение органического топлива в больших объемах, чем при децентрализованном теплоснабжении.

Экономия (замещение) органического топлива с помощью тепловых насосов в конечном счете происходит за счет полезного вовлечения выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭЦ. Это достигается двумя способами:

•   прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве ИНТ для теплового насоса (в обход градирни);

•   использованием в качестве ИНТ для теплового насоса обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается до 20...25 °С.

Первый способ реализуется, когда тепловой насос размещен вблизи ТЭЦ, второй - когда он используется вблизи потребителей теплоты. В обоих случаях температурный уровень ИНТ достаточно высок, что создает предпосылки для работы теплового насоса с высоким коэффициентом преобразования.

Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства, обеспечивая:

•   прирост тепловой мощности на величину утилизируемой теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды;

•   снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных, трубопроводах;

•   возрастание отопительной нагрузки (на 15... 20%) при том же расходе первичной сетевой воды и снижение дефицита в сетевой воде на ЦТП в удаленных от ТЭЦ микрорайонах;

•   появление резервного источника для покрытия пиковых тепловых нагрузок.

Для работы в системе централизованного теплоснабжения требуются крупные тепловые насосы теплопроизводительностью от нескольких мегаватт (для установки на тепловых пунктах) до нескольких десятков мегаватт (для использования на ТЭЦ).

На промышленных предприятиях теплонасосные установки применяют для утилизации теплоты водооборотных систем теплоты вентиляционных выбросов и теплоты сбросных вод (целлюлозно-бумажные комбинаты). На предприятиях, имеющих котельные, теплоту от тепловых насосов используют для подогрева подпиточной воды для котлов и собственных тепловых сетей.

До недавнего времени считалось, что применение теплонасосных установок на предприятиях, снабжаемых теплотой о ТЭЦ, заведомо неэкономично. Сейчас эти оценки пересматриваются. Во-первых, учитывают возможность использования рассмотренных выше технологий в жилищно-коммунальном секторе при централизованном теплоснабжении. Во-вторых, реальные соотношения цен на электроэнергию, теплоту ТЭЦ и топливо вынуждают некоторые предприятия переходить на собственные генераторы теплоты, и даже электроэнергии. При таком подходе применение теплонасосных установок наиболее эффективно. Особенно большую экономию топлива дают "мини-ТЭЦ", базирующиеся на дизельгенераторе (в том числе, работающем на природном газе) осуществляющем одновременно привод компрессора теплового насоса. Тепловая установка при этом обеспечивает отопление и горячее водоснабжение предприятия.

Перспективно для предприятий и применение теплонасосной установки в сочетании с использованием теплоты вентиляционных выбросов. Воздушное отопление характерно для многих промышленных предприятий. Установки утилизации теплоты вентиляционных выбросов позволяют предварительно нагреть поступающий в цех наружный воздух до 8 °С. Температура сетевой воды, нагреваемой в теплонасоснойустановке, требуемая для нагрева отопительного воздуха, не превышает 70 °С. При этих условиях теплонасоснаяустановка может работать при достаточно высоком коэффициенте преобразования.

ТНУ как альтернативный и источник теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Теплонасосные 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 в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок - универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Еще одно преимущество теплонасосных установок - широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Использование теплонасосных установок перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Применение теплонасосных установок вносит наибольший вклад в экономию невозобновляемых энергоресурсов с помощью технологий нетрадиционной энергетики.

Перечисленные преимущества теплонасосных установок обусловили их широкое и всевозрастающее распространение в развитых странах и во всем мире. Ставится задача не о локальном или ограниченном применении теплонасосного теплоснабжения, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива.

Сопоставление альтернативных вариантов теплоснабжения по степени использования первичной энергии показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев (Кэл = 0,27...0,34), так как на тепловой электростанции при выработке энергии и ее транспортировке по сетям теряется около 70% первичной энергии.

Теплоснабжение прямым сжиганием топлива в котельной приводит к потере около 20 % первичной энергии. Коэффициент использования первичной энергии примерно равен КПД котельной: К кт = 0,75...0,85.

При рациональном применении тепловых насосов обеспечивается экономия первичной энергии (Ктн > 1).

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе теплонасосных установок в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные котельные, работающие на газе (если пренебречь экологическими требованиями и требованиями выработки холодильной энергии).

В настоящее время действует значительное число таких установок, а в перспективе потребность в них будет быстро возрастать.

Среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов, прежде всего, выделим здравницы на морском побережье, в Краснодарском крае (СочиАдлер, и др.). В районах их расположения (Кавказ, Крым и др.) действуют повышенные требования к чистоте воздушного бассейна. Вместе с тем используются децентрализованные системы теплоснабжения с применением мелких котельных на органическом топливе. Один из потребителей теплоты - плавательные бассейны. В современных условиях на таких объектах обязательно летнее кондиционирование воздуха. Требованиям экологически чистого теплоснабжения и кондиционирования воздуха в полной мере отвечают комбинированные теплонасосные системы тепловой насос - холодильная машина. Источником низкопотенциальной теплоты для теплонасосной установки служит морская вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время морская же вода является приёмником теплоты конденсации холодильной машины.

По аналогичной схеме работают комбинированные теплонасосные системы спортивных комплексов - спортивных залов, плавательных бассейнов и аквапарков. В качестве ИНТ при отсутствии вблизи объекта водоема (моря, реки, озера) используется теплота подземных вод или грунта.

Возможность создания мобильной ТНУ.

Если дом построен, непрерывность горячего водоснабжения можно обеспечить мобильной установкой по схеме рис. 2.

На время ремонта тепловых сетей к дому 1 подъезжает закрытый звукоизолированный фургон 2, внутри которого смонтирован дизель-генератор 3 с теплообменником 4.. Электроэнергия, вырабатываемая в генераторе 5, используется для привода компрессора 6 теплового насоса, который использует теплоту атмосферного воздуха, воспринимаемую теплоприемником 7, для подогрева горячей воды в конденсаторе 8. Теплоноситель греющего контура циркулирует при помощи насоса 9 не только через конденсатор 8, но и через теплообменник 4, передавая теплоту нагреваемой воде в теплообменнике 11. Насос 10 нагреваемого контура подает подогретую воду в закрытый бак-аккумулятор 12. В нижнюю зону этого бака подается холодная вода из водопровода В1, а из верхней его зоны выдавливается горячая вода ТЗ. При наличии циркуляционного трубопровода Т4 он подключается к средней зоне бака.

Отсутствие стационарного электропитания в мобильном фургоне не стоит воспринимать как недостаток, потому что именно дизель-генератор с водяным охлаждением обладает тем дополнительным источником тепла, при использовании которого эффективность теплового насоса становится еще более впечатляющей, чем обычно (рис. 3).

Если электрический тепловой насос требует для своей работы в 4 раза меньше топлива, чем электронагреватель, то при использовании дизель-генератора топлива требуется в 5 раз меньше, а себестоимость подогрева воды в таком мобильном фургоне будет ниже, чем в любом другом теплогенераторе, использующем дизельное топливо.

Стоимость мобильного фургона для горячего водоснабжения суточной теплопроизводительностью около 1 Гкал оценивается примерно в 15 тыс. у.е. Если для владельцев дорогих квартир установить тройной тариф для временного (до двух недель) теплоснабжения и эксплуатировать фургон в течение 5 летних месяцев, перемещая его от дома к дому, то эти затраты можно было бы возвратить примерно через 3 года.

И быть может однажды, объявляя о предстоящем отключении горячего водоснабжения, «СОЧИТЕПЛОЭНЕРГО» предложит жителям вариант временного теплоснабжения. К дому подъедет фургон, рабочие подключат его к домовым трубопроводам, по которым пойдет горячая вода, приготовленная из теплоты атмосферного воздуха. Факт проведения ремонтных работ на тепловых сетях останется никем не замеченным.

Это был бы сказочный сервис. Такого сервиса, кажется, нет даже в Европе.

Аналогичная установка может быть использована для обеспечения отделочных работ на строящихся объектах до подключения зданий к штатным системам отопления и ГВС, в любое время года, с целью повышения качества работ и проверки систем отопления и ГВС.

Технические и эксплуатационные характристики ТН.

В настоящее время различные зарубежные производители тепловых насосов (ТН) выпускают большими сериями модельные ряды оборудования в широком спектре тепловых мощностей от нескольких кВт до десятков и сотен МВт, в различной комплектации и исполнении по требованию заказчика, т.е. на любой проект всегда можно найти приемлемое, оптимальное решение.

В технологии ТНУ практикуются комплексно-модульные решения, что ведёт к повышению надёжности и экономичности эксплуатации теплонасосной установки (ТНУ).

В России сегодня налаживается отечественное производство тепловых насосов (ТН).

Конструктивно-технологическая безопасность ТНУ.

Тепловой насос (ТН) состоит из 5-и основных агрегатов:

испарителя, конденсатора, переохладителя (дросселя), регулирующего вентиля и компрессора. Эти агрегаты связаны между собой герметичными трубопроводами, образуя замкнутую систему.

Все агрегаты выполнены, как правило, из коррозийно-стойких сертифицированных материалов имеющих пожизненную гарантию. Фактически наиболее слабым звеном в системе теплового насоса (ТН) является мотор-компрессор, единственный механический агрегат, имеющий в своей конструкции вращающиеся, т.е. трущиеся детали; он и определяет фактический срок службы теплового насоса (ТН) до ремонта, как правило, в зависимости от мощности теплового насоса (ТН) и производителя этот срок определяется в 15-20 лет.

В системе теплового насоса (ТН) циркулирует озонобезопасный хладон, находящийся в процессе работы в различном агрегатном состоянии (пар, жидкость или парожидкостная смесь). Хладон не имеет контактов с окружающей атмосферой, т.е. абсолютно безопасен. Количество заправленного в контур теплового насоса (ТН) хладона (2.0-3,0 кг. при мощности теплового насоса (ТН) (20-30 кВт) даже при нарушении герметичности внутреннего контура теплового насоса (ТН) и его вытекании или выбросе не может привести к сколь-нибудь серьезным экологическим последствиям, т.к. хладон летуч, то он практически мгновенно испаряется, не успев произвести токсического действия на персонал или случайных людей.

Общие сведения о хладагентах.

Требования к хладагентам.

Прежде чем рассматривать свой­ства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования к хладагентам подразделя­ются на следующие группы:

экологические - низкий потенциал глобального потепле­ния, озонобезопасность, негорючесть и нетоксичность;

термодинамические - большая объемная холодопроизводительность; низкая температура кипения при атмосфер­ном давлении; невысокое давление конденсации; хорошая теплопроводность; малые плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на тре­ние и местные сопротивления при его транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлени­ям, температурам, удельной объемной холодопроизводительности и холодильному коэффициенту;

эксплуатационные - термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными масла­ми, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспчения его циркуляции, технологичность применения, негорю­честь и невзрывоопасность, способность растворять воду, не­значительная текучесть, наличие запаха, цвет и т.д.;

экономические - наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.

Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, най­ти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном слу­чае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим тре­бованиям.

Альтернативными хладагентами могут быть чистые (про­стые) вещества и смеси. Предпочтение отдается прежде всего чистым веществам, но они имеют ряд недостатков. Например, R 134а при температуре ниже -15 °С имеет меньшую удель­ную объемную холодопроизводительность и холодильный ко­эффициент по сравнению с RI2. Поэтому применяют смесевые хладагенты.

ХЛАДАГЕНТЫ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Решения Монреальского протокола (сентябрь 1987 г), ко­ренным образом изменили подход к традиционным озоноразрушающим хладагентам, и, начиная с 90-х годов, на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной применени­ем таких хладагентов.

В качестве альтернативы запрещенным к производству хла­дагентам Монреальским протоколом рассматриваются следу­ющие классы веществ:

гидрохлорфторуглероды (ГХФУ);

гидрофторуглероды (ГФУ);

природные хладагенты - аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.

Протокол вступил в силу с 12 января 1989 г. К нему присо­единились 184 государства, в том числе и Россия (приложение 2). В июне 1990 г. на конференции в Лондоне было принято реше­ние о прекращении использования всех видов хладонов промышленноразвитыми странами к 2000г.

Монреальский протокол установил жесткие экономичес­кие ограничения не только на производство и применение ХФУ (хладагенты R12, R502, R11 и др.), но и на торговлю, экспорт и импорт любой холодильной техники, работающей на данных хладагентах. Мощным движущим фактором отка­за от озоноразрушающих хладагентов служит также внутрен­нее государственное регулирование. Так, в странах ЕС про­изводство этих хладагентов прекращено уже с января 1995 г. В ряде стран, например, в США, потребитель вынужден при покупке данных хладагентов заплатить государственный на­лог, превышающий стоимость самого хладагента.

По степени озоноразрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:

- хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью -это хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или по международному обозначе­нию CFC11, CFC12, CFC13 и т.д.) и др.;

- хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью - это гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или по международному обозначению HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т.д.) и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ харакерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как след­ствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабочих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например, 401 A, R402A, R406A и др.;

- хладагенты полностью озонобезопасные, не содержащие атомов хлора (фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др.). Таковыми являются хладагенты R134 R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, Rl16, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

Известно, что непрерывное применение ХФУ в течение года по воздействию на окружающую среду эквивалентно 10 -50 годам применения таких альтернативных хладагентов, как ГХФУ.

На международном совещании в Копенгагене (ноябрь 1992 г.) участниками Монреальского протокола было принято решение о прекращении производства озоноопасных хладагентов R11, R12 и R502 с 1 января 1996 г. На 1 января 1994 г. выпуск соеди­нений ХФУ составлял в соответствии с Монреальским прото­колом только 25 % выпуска 1989 г. Бывший СССР подписал Монреальский протокол, а в 1991 г. Россия, Украина и Бело­руссия подтвердили свою преемственность этого решения.

Ряд государств Европы опередили установленные сроки. Так, Швеция запретила применение ГХФУ в новом оборудова­нии с 1 января 1998 г. и обслуживание серийного оборудования с 1 января 2002 г., Дания - с 1 января соответственно 2000 и 2002 гг. В Италии законодательно с 31 декабря 1999 г. запреще­но производство, импорт и экспорт ГХФУ. Продукция с ГХФУ имеет четко различимую специальную метку и обязательно возвращается поставщику в конце срока эксплуатации. Швейца­рия намерена запретить применение ГХФУ в новом холодиль­ном оборудовании - с 2005 г. США планируют отказаться от R22 и R123 - с 2020 г.

График прекращения производства ХФУ.

Группа ХФУ

Страны участницы Монреальского протокола*

ЕС

Развивающие­ся страны

CFC (полностью за­мещенные ХФУ)

1.01.1996

1.01.1995

1.01.2006

СС14

1.01.1996

 

1.01.2006

Метилхлороформ

1.01.1996

 

1.01.2006

HCFC (гидратирован-ные ХФУ)

1.01.2030

   

Страны-участницы Монреальского протокола произвели в 1987 г. 80% мирового объема ХФУ.

В этом направлении действует ряд постановлений Прави­тельства РФ, в частности, постановление от 24 мая 1995 г. №526 «О первоочередных мерах по выполнению Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальского протокола по ве­ществам, разрушающим озоновый слой», содержащее програм­му перехода промышленности на производство и применение озонобезопасных веществ, построенную на общепринятых в мире принципах.

Постановлением Правительства РФ №563 «О регулирова­нии ввоза в Российскую Федерацию и вывоза из Российской Федерации озоноразрушающих веществ и содержащей их про­дукции» запрещается экспорт озоноразрушающих веществ (ОРВ) и содержащей их продукции в страны, не подписавшие Монреальский протокол. К ним, в частности, относятся многие страны СНГ (Казахстан, Азербайджан, Киргизия и др.), в кото­рые традиционно экспортировали из России озоноразрушающие вещества, холодильное оборудование и другую продукцию, содержащую эти вещества.

Россия к моменту принятия Монреальского протокола на­ходилась в числе крупнейших мировых производителей и по­требителей озоноразрушающих веществ. Пик их производства в России пришелся на 1990 г. и составлял тогда 20 % мирового уровня. Выполняя принятые на себя обязательства по междуна­родным соглашениям Россия неуклонно снижает объем произ­водства ХФУ. Так, в 1996 г. объем производства ХФУ составил 17 122 т при их производстве в 1990 г., равном 110 140 т. Соглас­но решению специальной Межведомственной комиссии по ох­ране озонового слоя в 1997 г. был разработан график поэтапно­го отказа от ХФУ: в 1998 г. - 4500 т, в 1999 г. - 2800 т. В 2000 г. - с 21.12. полностью прекращено производство ХФУ на терри­тории России (постановление №1000 Правительства РФ) для предприятий отрасли (за исключением предприятий Минобо­роны и МЧС).

Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют следующие параметры: потенциал раз­рушения озона ODP (Ozone Depletion Potential); потенциал гло­бального потепления (парникового эффекта) GWP (Global Warming Potential) или HGWP (Halocarlon Global Warming Potential).

Потенциал разрушения озона ODP определяется наличием атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для R11 и R12. Для хладагентов группы ХФУ потенциал разруше­ния озона ODP>1, для ГХФУ ODP<0,1, а для ГФУ ODP=0.

Потенциал глобального потепления GWP принят за еди­ницу для диоксида углерода (СО2) с временным горизонтом 100 лет, а потенциал HGWP подсчитывают относительно это­го параметра для R11, также принятого за единицу.

В последнее время для анализа общего потенциала парни­кового эффекта, учитывающего и энергетические, и экологичес­кие факторы, все больше используют параметр, называемый суммарным эквивалентным тепловым воздействием TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Методика расчета TEWI была раз­работана Международным институтом холода. Параметр TEWI для конкретного вещества представляет собой сумму непосред­ственного потенциала парникового эффекта в результате эмис­сии этого вещества в атмосферу и косвенного потенциала, обус­ловленного эмиссией диоксида углерода в процессе производства электроэнергии, которая необходима для эксплуатации холодильных установок:

TEWI = GWP-M + (GWPx)+ сс-В,

где GWP - потенциал глобального потепления; М - масса эмиссии хладагента в атмосферу кг; а - коэффициент, характе­ризующий эмиссию диоксида углерода в атмосферу Земли при выработке 1 кВт-ч электроэнергии, кг/(кВт-ч); В - количество элек­троэнергии, потребленной за все время эксплуатации конкрет­ной холодильной установки кВт-ч; х - потери хладагента при рециклировании, кг.

Согласно международным прогнозам при существующих темпах роста парникового эффекта средняя температура атмос­феры Земли к 2050 г. может увеличиться на 3...5 К, что может привести к увеличению уровня Мирового океана на 20 см и выз­вать тем самым необратимые экологические последствия.

Известно, что галоидопроизводные углеводороды имеют значительно больший, чем диоксид углерода, потенциал глобаль­ного потепления GWP. Однако количество попадающего в ат­мосферу диоксида углерода существенно превышает объемы уте­чек галоидопроизводных углеводородов из холодильных систем.

На промышленных предприятиях мира ежегодно сжигает­ся свыше 15 млрд. т условного топлива, что приводит к выбросу в атмосферу 26,5 млрд. т диоксида углерода. Значительная часть попадающего в атмосферу диоксида углерода выделяется на тепловых электрических станциях при сжигании мазута, газа и угля. Это количество по различным оценкам составляет (2,2...7,2) млрд. т/год. Масса полихлорвинилов и хладагентов, еже­годно выбрасываемых химической промышленностью, со­ставляет 20 тыс. т/год, что при пересчете через усредненный по­казатель GWP соответствует количеству диоксида углерода 4,3 млрд. т/год. Только 20-25 % эмиссии ежегодно производимых хладагентов эквивалентно вкладу диоксида углерода в парни­ковый эффект, равному (5,1...5,5)млн. т/год. Наиболее существен­ный вклад в парниковый эффект среди газов (диоксид углерода, хладагенты группы ХФУ, оксид азота) вносит диоксид углерода, доля которого согласно международным источникам ин­формации может достигать 81 %. Если эмиссию СО, удастся ста­билизировать на уровне 1994 г., то и тогда содержание диоксида углерода в атмосфере к 2100 г. может стать почти вдвое больше, чем перед началом эры промышленного развития (с 1750 г.).

Эмиссия диоксида углерода при производстве электро­энергии зависит от ряда факторов, прежде всего от вида используемого сырья. В частности, при использовании угля она составляет 1,12 кг/(кВт-ч), газа 0,57 кг/(кВт-ч) и ядерного топлива.

Значительны также и потери электроэнергии при её переда­че потребителю (более 10%).

При производстве электроэнергии гидростанциями, вет­ровыми двигателями и ядерными энергетическими установ­ками выбросов диоксида углерода в атмосферу не происхо­дит (коэффициент, а равен нулю). По данным Центра тепло­вых насосов Международного энергетического агентства за 1992 г., при выработке 1 кВт-ч электроэнергии в Европе выб­рос диоксида углерода составил в среднем 0,52 кг (а в ряде стран Европы вдвое больше среднего значения), в Северной Америке - 0,67 кг. Срок службы холодильного оборудова­ния может достигать 15...20 лет, поэтому третье слагаемое, отражающее косвенное воздействие, становится преоблада­ющим в ряде холодильных систем (автомобильные конди­ционеры, коммерческий холод) в общей оценке TEWI.

В Норвегии, например, 99,6% всей электроэнергии произ­водится на гидроэлектростанциях, поэтому выброс диоксида углерода составляет в среднем 0,005 кг на 1 кВт-ч. В то же время в Дании 91% электроэнергии вырабатывают при сжигании угля, что создает эмиссию, равную 1,1 кг диоксида углерода на 1 кВт-ч энергии.

По прогнозу Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, возможное суммарное тепловое воз­действие ХФУ и их заменителей на климат Земли не превысит 10 % значения полного радиационного форсинга. Понятие ра­диационного форсинга обозначает изменение плотности лучи­стого теплового потока на внешней границе тропосферы, по сравнению с начальной (в доиндустриальную эпоху - до 1800 г.). По оценке итальянского отделения Гринписа, вклад в парнико­вый эффект только ГФУ составит в будущем более 13 %, а по другим данным вклад ХФУ превысит 20 %.

Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро обнародовала Рамочную конвенцию по изменению климата. Конвенцию подписали более 160 государств, десятки государств уже ее ратифицировали. США в апреле 1994 г. объя­вили о национальном обязательстве сократить к 2000 г. выбро­сы парниковых газов до уровня 1990 г. Конвенция требует это­го от всех промышленно развитых стран.

Норвегия ввела налог на выбросы диоксида углерода с 1991 г. В обозримом будущем то же должны сделать страны, чьи пар­ламенты ратифицировали Рамочную конвенцию. Это касается и России.

По оценке зарубежных специалистов, уровень безопасной эмиссии диоксида углерода равен 1,1 т/год на душу населения. В настоящее время уровень выбросов диоксида углерода в Ев­ропе на душу населения составляет 7,3 т/год.

Положения Конвенции, принятые 11 декабря 1997 г. в г. Ки­ото (Япония), еще более ограничивают выбросы парниковых газов, к которым относятся сервисные смеси на основе ГХФУ, ГФУ, а также однокомпонентные хладагенты группы ГФУ.

Следует отметить, что принятый Киотский протокол в рам­ках Конвенции Организации Объединенных Наций вступит в силу после ратификации его не менее 55 членами Конвенции. На нача­ло 2003 г. протокол подписали 53 государства, члены Конвенции.

Согласно условиям этого протокола, промышленно разви­тые страны должны в период с 2008 до 2012 гг. снизить свои выбросы СО2, создающие парниковый эффект, по крайней мере, на 5% от уровня 1990 г. Выброс СО2 в атмосферу промышленно развитыми странами в 1990 г. составил 55% всех выбросов.

Разрешено обмениваться квотами по снижению выбросов диоксида углерода между странами. В этом обмене стоимость 1 т СО2 оценивается от 10 до 100 американских долларов. В будущем возможно следует ожидать ужесточения санкций за увеличение эмиссии парниковых газов.

На международном совещании в Ганновере (1994 г.), орга­низованном Национальным холодильным обществом Германии под эгидой Международного института холода был поднят воп­рос о применении природных хладагентов (углеводороды, ам­миак, диоксид углерода, азот и др.) в холодильной технике и системах кондиционирования.

Эти хладагенты озонобезопасны (ODP=0), потенциал гло­бального потепления минимален (GWP=0-*-3). Они в обозримом будущем не попадают под запрет Киотского протокола.

В настоящее время при создании холодильных систем из-за опасности изменения климата начинают преобладать следую­щие тенденции:

преимущественное применение хладагентов с низким по­тенциалом глобального потепления (к ним относятся углеводо­роды, аммиак, азот и диоксид углерода);

совершенствование технологических процедур сервисно­го обслуживания холодильных систем (сбор, восстановление и регенерация хладагентов);

снижение выбросов хладагентов из холодильных систем, уменьшение количества хладагента, заправляемого в систему;

повышение требований к качеству сборки холодильных машин и аппаратуры;

совершенствование действующих холодильных машин в целях повышения их энергетической эффективности и разработка новых, холодильных машин.

Помимо всего тепловые насосы (ТН) от производителя обязательно имеют сертификаты от правительственных организаций, отвечающих заэкологию, безопасность и соблюдение Монреальского протокола.

Для работы тепловой насосной установки (ТНУ) требуется подключение электропитания, как правило, это несколько кВА для бытового использования, как и любая другая электротехника.

Никаких ёмкостей с запасами топлива (жидкого, газообразного или другого), никаких выхлопных, фильтрующих, шумозащитных специальных устройств тепловой насосной установке (ТНУ) не требуется.

Фактически экологические характеристики тепловой насосной установки (ТНУ) сопоставимы с требованиями к традиционной бытовой или промышленной холодильной технике.

Экономическая эффективность применения ТНУ.

Экономическая эффективность применения тепловой насосной установки (ТНУ), как и любого другого вида техники, является многофакторной характеристикой, зависящей от условий каждого отдельного объекта. Поэтому, в качестве примера оценки сравнительной экономической эффективности (тарифы на октябрь 2013 г.), возьмем простейший бытовой теплогенератор (АГВ ) мощностью 10 кВт, использующий в качестве топлива газ, солярку или «чистое» электричество и тепловой насос (ТН), работающий на электроприводе. Результаты сравнения представлены в следующей таблице: 

Наименование

Ед. изм

АГВ

(магистр.   газ)

АГВ

(солярка)

АГВ

(электри-   ческий)

ТН (электр. привод)

Стоимость тепловой установки

руб

30000

30000

10000

105000

Монтаж внешних сетей подвода   энергоносителя

руб

150000

50000

40000

   40000

Монтаж внутренних сетей

руб

8000

9000

5000

8000

Всего расходов на установку

 

188000

89000

55000

153000

Транспортные расходы на доставку энергоносителя

руб

в мес.

-

600

-

-

Обслуживание сетей при   эксплуатации

руб

в мес

300

500

50

50

Обслуживание установок при   эксплуатации

руб

в мес

200

300

100

100

Стоимость энергоносителя

 

Газ магистр

5,05 руб/м3

35

руб/кг

Эл.энерг

2,53   руб/КВт.ч

Эл.энерг

2,53   руб/КВт.ч

Количество израсходованного   энергоносителя

За 24 часа

29 м3

10 кг

240 КВт.час

48 КВт.час

Стоимость отопления за сутки

руб

146,5

350

607,2

121,4

Количество часов отопительного   сезона в год

час

5000

 

Количество лет/часов для   подсчета

год/ч

3 /   15000час

 

Стоимость энергоносителя за 3   года

т.руб

92

219

380

76

Общие затраты за 3 года

т.руб

284

308

435

229

Общие затраты за 5 лет

т.руб

358

464

688

282

Прогнозируемое удорожание   энергоносителя

в течен 3 лет

в 2-3 раза

в 2-3 раза

в 1,5 раза

в 1,5 раза

Виды генерируемой энергии

 

тепло

тепло

тепло

тепло +

холод

Возможность кондиционирования

 

нет

нет

нет

есть

Возможность монтажа дополнительного холодильника

 

нет

нет

нет

есть

Проблема доставки энергоносителя

 

нет

есть

нет

нет

Необходимость хранения запасов   энергоносителя

 

нет

есть

нет

нет

Необходимость наличия места для   хранения запаса энергоносителя

 

нет

есть

нет

нет

Неблагоприятное воздействие на   организм утечек энергоносителя

 

есть

есть

нет

нет

Экологическое загрязнение от   работы установки

 

есть

есть

нет

нет

Опасность взрыва, пожара

 

есть

есть

нет

нет

Опасность самостоятельной работы   для детей

 

есть

есть

нет

нет

Опасность для террора

 

есть

есть

нет

нет

Необходимость постоянного   наблюдения за работой установки

 

есть

есть

нет

нет

Ресурс работы

лет

7

7

15

15


Принципиальная схема теплового насоса.

IVT
IVT2
Рис.2

Принципиальная схема мобильного агрегата, способного обеспечить горячее водоснабжение здания, временно отключенного от тепловой сети.

1 – жилой дом, 2 – закрытый фургон, 3 - дизель-генератор, 4 – теплообменник дизель-генератора, 5 - электрогенератор, 6 – компрессор теплового насоса, 7 - атмосферный   теплоприемник, 8 - конденсатор, 9,10 - насосы, 11 - теплообменник, 12 – емкость горячей воды.

Навигация

Наши социальные сети

Image
354071, Россия Краснодарский край г.Сочи

Контактный телефон

+7 (918) 402-75-96

Электронная почта :

Cоциальные сети :