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

1) Автономное теплоснабжение от тепловых насосов.

2) Использование ТНУ в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов (в том числе школ, больниц и т.п.), городских районов, населенных пунктов используются преимущественно тепловые насосы с тепловой мощностью 10…30 кВт в единице оборудования (коттеджи, отдельные дома) и до 5,0 МВт (для районов и населенных пунктов). В качестве источников низкопотенциальной теплоты используют преимущественно грунтовые воды (Т_инт = 8-15°С), грунт (Т_инт = 5-10°С), воды рек и озер (Т_инт = 5-20°С), теплоту вент-выбросов и канализационных стоков
(Т_инт = 10-30°С). Децентрализованное теплоснабжение позволяет применить современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя Т_ивт = 35…60°С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования ТНУ µ= 3,5…5,0.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе тепловых насосов в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем центрального теплоснабжения. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные мини-котельные, работающие на газе (если пренебречь экологическими требованиями). В настоящее время действует значительное число таких установок. А в перспективе, в связи с принятием Киотских соглашений по ограничению вредных выбросов в атмосферу и постоянным ростом цен на энергоносители, количественная потребность в них будет постоянно возрастать.

Особенностью теплоснабжения в России (в отличие от большинства стран мира) является использование систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) в крупных городах.

Одновременная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ имеет бесспорные преимущества с точки зрения использования топлива. Многолетнее развитее этого направления позволило достигнуть достаточно высокой эффективности, приобрести большой опыт в эксплуатации СЦТ. И хотя эти системы имеют ряд технологических и экологических недостатков, они реально существуют и подлежат совершенствованию. При совершенствовании СЦТ необходимо учитывать следующие отрицательные факторы:

1. Огромные выбросы низкопотенциальной теплоты, прежде всего системой охлаждения технической воды на ТЭЦ, увеличивающиеся в период снижения тепловой нагрузки в неотопительный период.
2. Резко увеличивающийся пережог топлива при выработке электроэнергии в условиях снижения тепловой нагрузки.
3. Большие затраты теплоты на нагрев сетевой воды, восполняющей ее потери в теплосетях;
4. Дефицит сетевой воды во многих районах города из-за ограниченной теплопропускной способности существующих сетей.

О масштабах этих факторов можно судить по статистическим данным выработки тепла 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 (СОТВ) составлял 140 - 150 млн Гкал, что эквивалентно 24 - 26 млн т.у.т. непроизводительного расхода топлива. В системе АО «Мосэнерго» выбросы СОТВ на ТЭЦ Москвы составляют 45 - 50 млн Гкал в год, что равносильно потере 7,2 - 8 млн т.у.т./год.

Применение ТН в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства. Технически возможна утилизация до 50% низкопотенциального тепла (НТП). В системе РАО ЕЭС это эквивалентно замещению 10 млн. т.у.т.. 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 сокращение достигается двумя способами:

1. Прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса (в обход градирни).
2. Использованием в качестве источника низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается.

Первый способ реализуется, когда тепловой насос размещен вблизи ТЭЦ, второй - когда используется вблизи потребителей теплоты. В обоих случаях температурный уровень источника низкопотенциальной теплоты достаточно высок, что создает предпосылки для работы ТНУ с высоким коэффициентом преобразования: 3 - 7.

Если механизм энергосбережения первого способа очевиден, то по второму необходимы пояснения. Поток ОСВ возвращается на ТЭЦ, пройдя через испаритель теплового насоса, захоложенный до температуры 20 - 25 °С (температура захоложенной ОСВ обосновывается с учетом особенностей СЦТ).

При не полностью загруженных теплофикационных отборах (при температуре наружного воздуха выше минус 15°С) снижение температуры сетевой воды требует отбора пара из теплофикационных отборов на ее подогрев. Это автоматически увеличивает выработку электроэнергии при тепловом потреблении и загрузку теплофикационных отборов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода пара в конденсатор турбины и, тем самым к снижению тепловых выбросов на ТЭЦ и сокращению непроизводительного расхода топлива.

При существенной доле захоложенной обратной сетевой воды ее целесобразно направлять в конденсатор паровой турбины (в основной или в дополнительный встроенный теплообменный пункт). В этом случае конденсатор выполняет функции дополнительного подогревателя ОСВ и, таким образом, в нем происходит утилизация НПТ ТЭЦ.

Таким образом, использование схем теплоснабжения с применением тепловых насосов и с захолаживанием ОСВ дает следующие результаты:

1. Прирост электрической мощности (на 6…10%) от установленной мощности теплофикационной турбины без затрат топлива на этот прирост.
2. Прирост тепловой мощности на величину утилизируемой теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды.
3. Снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных трубопроводах.
4. 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.
5. Появление резервного источника для покрытия пиковых тепловых нагрузок.

Для работы в системе центрально теплоснабжения требуются крупные тепловые насосы большой мощности.

Промышленные и перерабатывающие предприятия.

 На промышленных предприятиях ТНУ находят применение для утилизации теплоты водооборотных систем в технологических процессах, теплоты вентиляционных выбросов, теплоты сбросных вод. На предприятиях, имеющих котельные, теплота от тепловых насосов используется для подогрева подпиточной воды для котлов и собственных тепловых сетей.

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

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

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

Многие технологические процессы сельского хозяйства связаны с большим потреблением теплоты, которое в значительной степени удовлетворяется за счет электроэнергии. С другой стороны, сельское хозяйство располагает большими собственными вторичными тепловыми ресурсами, но из-за их низкого температурного уровня они используются недостаточно.

Применение тепловых насосов в технологических процессах сельского хозяйства позволяет использовать сбросную низкопотенциальную теплоту для теплоснабжения. Например на молочных фермах существенную долю расхода энергоресурсов (до 50%) составляют затраты электроэнергии на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и на нагрев воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в теплоте и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов. Так же с вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве низкопотенциального теплоисточника для малых тепловых насосов. Применение ТНУ на животноводческих фермах обеспечит одновременно кондиционирование воздуха в стойловых помещениях и теплоснабжение производственных помещений.

Курортно-оздоровительные и спортивные комплексы.

Тепловые насосы все чаще находит применение среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов, прежде всего, в здравницах на морском побережье или рядом с озерами или реками, например на Черноморском побережье Краснодарского края, Сочи, Адлер и другие. В районах их расположения действуют повышенные требования к чистоте воздушного бассейна. Вместе с тем используются децентрализованные системы теплоснабжения с применением мелких котельных на органическом топливе (обычно на мазуте). Одним из потребителей теплоты являются плавательные бассейны. В современных условиях на таких объектах обязательным является летнее кондиционирование воздуха. Требованиям экологически чистого теплоснабжения и летнего кондиционирования воздуха в полной мере отвечают комбинированные теплонаносные системы («Тепловой насос - холодильная машина»). В качестве источника низкопотенциальной теплоты для ТНУ используется морская или озерная вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время эта же вода может являться приемником теплоты конденсации холодильной машины.

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