помимо потенциальной энергии поднятой воды, которая исполь­зуется гидроэлектростанциями, чистая пресная вода (либо вода, в ко-

торой растворены различные вещества) также обладает потенциаль­ной энергией. природа дарит человеку колоссальные запасы тепловой энергии, нагревая водные источники до разных температур. но чаще всего люди не в состоянии использовать это дареное окружающее теп­ло, потому что оно «холодное». Действительно, как применить для ото­пления, скажем, 10-градусную воду? в настоящее время все большое внимание уделяется возможности использования низкопотенциальной энергии таких потоков тепла между средами, имеющими различные температуры. в качестве основных источников принимаются:

из объектов гидросферы: воды озер, рек, подземных водоносных горизонтов, близких к поверхности (до 100 м);

из объектов литосферы: воздух нижних слоев атмосферы.

Между перечисленными объектами имеют место следующие пере­пады температур, связанные с водными ресурсами:

1) между поверхностными и подземными водами;

2) между поверхностными водами и грунтами;

3) между поверхностными водами и атмосферным воздухом;

4) между подземными водами и атмосферным воздухом.

условия, при которых использование низкопотенциального тепла

становится экономически выгодным, зависят от применяемой техно­логии. Достаточно часто используется низкопотенциальная тепловая энергия грунтов, подземных и поверхностных вод для обогрева и кон­диционирования зданий, обогрева или охлаждения при реализации раз­личных технологических процессов. в современной практике принято считать, что использование низкопотенциальной энергии технологи­чески и экономически выгодно при эксплуатируемом перепаде темпе­ратур от 2 °С. В качестве граничных критериев утилизации низкопо­тенциальной тепловой энергии водных ресурсов приняты следующие характеристики [Севернев, М. М., 1994]:

• для использования низкопотенциального тепла для производ­ства электроэнергии необходимо наличие перепада температур в 10 °С;

• для непосредственного преобразования в механическую энер­гию необходимо наличие перепада температур в 7 °С;

• для привода теплонасосных установок необходимо наличие перепада в 5 °С;

• в теплонаносных установках рекомендуется наличие перепада в 3 °С;

• при перепаде температур свыше 15 °С применение тепловых насосов полностью оправдано.

На сегодняшний день наиболее универсальным способом исполь­зования низкопотенциального тепла является его утилизация посред­
ством тепловых насосов и устройств, основанных на том же принципе действия.

Принцип действия тепловых насосов. тепловой насос представ­ляет собой термодинамическую установку, в которой благодаря затрате механической энергии теплота от низкопотенциального источника пере­дается потребителю при более высокой температуре [севернев, М. М., 1994, кундас, с. п., 2007].

парокомпрессионный тепловой насос состоит из испарителя, ком­прессора, посредством которого происходит сжатие паров рабочей жидкости (холодильного агента), конденсатора, в котором осуществля­ется переход парообразного холодильного агента в жидкое состояние, и дроссельного вентиля, осуществляющего необратимое расширение жидкости с понижением давления и температуры (рис. 152). таким об­разом, в тепловом насосе часть жидкости превращается в пар, при этом ее энтальпия остается неизменной. в испарителе поддерживаются бо­лее низкие, а в конденсаторе более высокие температуры и давление холодильного агента. холодильный агент в конденсаторе превращается в жидкость, затем в дроссельном вентиле его давление понижается и он частично превращается в пар. теплота, отводимая от конденсатора, используется для нагревания теплоносителя.

отопления

Хладон газообр

«*• Вода отопления

Вода источника

Дроссель

Испаритель

♦

Б скважину Из скважины

рис. 152. принципиальная схема теплового насоса

Испаритель представляет собой кожухотрубный теплообменник, где в трубках движется вода источника, а между трубок - хладагент (хладон). Если через испаритель проходит 10-градусная вода (напри­мер, из скважины), то путем регулировки дросселем настраивается такое давление хладона в испарителе, чтобы температура его кипения составляла +2 - +3°С (все хладоны имеют крутую зависимость темпе­ратуры кипения от давления).

Таким образом, при тепловом контакте с «горячими» трубками часть хладагента вскипает, «отбирая» при этом энергию у воды. Охлажден­ная вода, прошедшая через испаритель, сбрасывается в другую (при­емную) скважину. Испаренный хладон, в свою очередь, всасывается в компрессор, сжимается им и, нагретый, выталкивается в конденсатор.

Конденсатор по устройству - такой же теплообменный аппарат, как и испаритель. Попадая в межтрубное пространство с температурой 70-80 °С, и вступая в теплообмен с обратной водой из системы отопле­ния (50-55 °С), хладон конденсируется на холодных трубках, передавая свою энергию воде. Вода в трубках нагревается, а хладагент, уже жид­кий, стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель. Так упрощенно выглядит рабочий цикл теплового насоса. Общий вид тепловых насосов фирм Dimplex и Viessmann показан на рис. 153.

Важнейшей особенностью тепловых насосов является универсаль­ность по отношению к виду ис­пользуемой энергии, что позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточников путем замены более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными. Технологиче­ских ограничений на применение тепловых насосов с приводом от не­теплового источника энергии прак­тически нет.

показатель мощности современ­ных тепловых насосов с механиче­ским приводом, т. е. соотношение полученной тепловой мощности к введенной в рабочий цикл энергии достигает 3-5 в зависимости от при­меняемой) рабочего тела. Особенно

эффективно использование тепло - Рис - 153 Тепловые насосы

фирм Dimplex и Viessmann

вых насосов с приводом от возобнов­
ляемых источников энергии, т. к. позволяет оптимизировать параметры сопряжения систем и достичь наиболее высоких показателей. в этой связи весьма интересна возможность использования низкопотенциаль­ного тепла для привода теплонасосных установок, поскольку примене­ние тепловых насосов, как и низкопотенциального привода, подразуме­вает наличие перепада температур [Дэвис, А., Шуберт, R, 1983].

кпД таких тепловых насосов всегда несколько ниже, однако уста­новка автономно обеспечивается энергоресурсами и не требует других источников энергии для привода.

Развитие теплонасосной техники в мире. первое применение тепловых насосов для отопления показало, что даже газовые котельные не в состоянии экономически конкурировать с тепловым насосом, кото­рый к тому же выгодней с точки зрения экологии. как видно из табл. 29, тепловые насосы начали реально внедряться в системы отопления уже начиная с 40-х гг. XX ст. В результате теплонасосные установки во многих европейских странах стали стремительно вытеснять другие способы теплоснабжения.

Год	Место нахождения	Назначение	Мощность тепловая, кВт	Источник тепла, (НПИТ)	Примечание
1	2	3	4	5	6
1938	Цюрих (Швейцария)	Отопление ратуши водой Д, = 60 °С)	175	Речная вода
1939	Цюрих	Кондиционирование воздуха Д, = 40 °С)	58	Воздух
1941	Цюрих	Плавательный бассейн Цв = 23-45 °С)	1500
1942	Цюрих	Отопление Д, = 70 °С)	7000	Речная вода
1944	Ларгенталь (Швейцария)	Нагрев в пивоварен­ном заводе Д, = 45 °С)	140	Вода из ферментаци­онного подвала
1945	Норвич (Англия)	крупное здание электрослужбы. Вода Цв = 50 °С)	140	Речная вода	Объем здания У=14200м3 автор - Самнер

Первые тепловые насосы

Таблица 29

1	2	3	4	5	6
1949	Концертный зал Ройял фестивал Холл (г. Лондон)	Отопление водой Рв = 710С)	2700	Бода из Темзы	Компрессор - центробежный. Двигатель «Rolls-Royce» хладоагент R-12
1950	Норвич (Ан­глия)	Отопление дома, вода	3,74	Подземный теплообмен­ник на глуби­не 1 м	Автор Самнер, вода подает­ся в медные трубы, вмон­тированные в бетонный пол
1954		Холодильник - нагреватель (нагре­тая вода аккумули­руется в баке V = 136 м3)	0,7-1,3	Боздух	Автор Ферран­ти, охлажде­ние кладовой до t = 11 °С, компрессор N = 400 Бт
1961	Наффилд- Колледж (Оксфорд, Англия)	Бода	150	Сточные воды	компрессор N = 31кБт

В настоящее время можно говорить о следующих достижениях в этой области:

• в Лпонии ежегодно производится около 3 млн тепловых насо­сов разной мощности;

• в сША вводится в эксплуатацию ежегодно более 1 млн тепло­вых насосов;

• в Швеции 50 % всего отопления обеспечивают тепловые на­сосы;

• в германии предусмотрена дотация на установку тепловых насосов в размере до 200 Евро на каждый кБт установленной мощности;

• в Стокгольме 12 % всего отопления города обеспечивается те­пловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующи­ми как источник тепла воды Балтийского моря с температурой воды 8 °С;

• в мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета (МИРЭК) к 2020 г. доля тепловых насосов в теплоснабжении составит около 75 %. Б настоящее время доля тепловых насо­сов в теплоснабжении потребителей составляет: в США - 37 %, в Швеции - 50 %, в России - 0,1 % и в Беларуси - 3,1 % (про­гноз применения ТЭР в РБ в 2004-2010 гг.).

Можно выделить следующие преимущества тепловых насосов:

• экономичность. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт те­пловой энергии, тепловому насосу нужно лишь 0,2-0,35 квт электроэнергии;

• экологическая чистота. тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;

• минимальное обслуживание. Для работы теплонасосной стан­ции мощностью до 10 Мвт требуется один оператор в смену;

• короткий срок окупаемости. в связи с низкой себестоимостью производимого тепла тепловой насос имеет малый срок окупае­мости.

применение теплонасосных установок (тну) кардинально улучша­ет условия теплоснабжения: в 2 раза может быть сокращено потребление первичной энергии (органического топлива); система теплоснабжения становится децентрализованной, не требующей протяженных тепловых сетей; производство электроэнергии и связанный с ним выброс продук­тов сгорания органического топлива могут быть вынесены за пределы населенных пунктов.

Большая часть уже установленных устройств использует в качестве такой низкопотенциальной энергии воздух (рис. 154). однако неуклон­но растет интерес к системам, в которых тепло отбирается от грунта, грунтовых или поверхностных вод. на сегодняшний день грунтовой (геотермальный) тепловой насос (гтн) является одной из наиболее эф­фективных энергосберегающих систем отопления и кондиционирова­ния. такие тепловые насосы уже получили широкое распространение в сША, канаде и странах Европейского сообщества.

рис. 154. общий вид воздушного теплового насоса

Грунтовые тепловые насосы устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначи­тельной модификацией прежней отопительной системы. такие насосы более эффективны, чем воздушные, благодаря тому, что, в отличие от воздуха, температура грунта практически постоянна и приблизительно равняется среднегодовой атмосферной температуре. наиболее активно развиваются системы с закрытым внешним контуром, который пред­ставляет собой уложенные горизонтально в земле на глубине 1-2 м или установленные вертикально в специально пробуренных скважинах полиэтиленовые (полибутиленовые) трубы, соединенные с тепловым насосом. Холодильный агент (прямая система) или теплоноситель, на­пример солевой раствор (непрямая система), циркулирует в контуре.

Первый вариант является более предпочтительным с точки зрения эффективности системы, однако он гораздо дороже и сложнее в реа­лизации, поэтому на практике чаще устанавливают непрямые тепло­обменные системы. Теплонаносная установка состоит из собственно теплового наоса (ТН) и системы, обеспечивающей подвод и отвод из источника низкопотениальной теплоты (ИНТ), подачу нагретой в ТН среды потребителю и ее возврат к ТН (рис. 155).

Рис. 155. Схема использования тепловых насосов

Как уже пояснялось, в испарителе теплового насоса реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с более низкого тем­пературного уровня на более высокий с подводом энергии извне, затра­чиваемой на повышение давления парообразного рабочего вещества (обратный термодинамический цикл).

областями применения тепловых насосов является жилищно-ком­мунальный комплекс, промышленные предприятия, сельское хозяй­ство и др. в мировой практике в жилищно-коммунальном комплексе тну находят наибольшее применение преимущественно для отопле­ния и горячего водоснабжения (гвс). здесь можно выделить два на­правления:

• автономное теплоснабжение от тну;

• использование тну в рамках существующих систем централи­зованного теплоснабжения.

Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов (в том числе школ, больниц и т. п.), городских районов, населенных пунктов применяются преимущественно птн с тепловой мощностью 10-30 кВт в единице оборудования (коттеджи, отдельные дома) и до 5,0 МВт (для районов и населенных пунктов). Источниками низкотем­пературного потенциала чаще всего являются грунтовые воды, грунт, водопроводная вода, теплота канализационных стоков. на промышлен­ных предприятиях тну находят применение для утилизации теплоты водооборотных систем, теплоты вентиляционных выбросов, теплоты сбросных вод. На предприятиях, имеющих котельные, теплота от ТН используется для подогрева подпиточной воды для котлов и собствен­ных тепловых сетей.

Многие промышленные предприятия одновременно нуждают­ся в искусственном холоде. так, на заводах искусственного волокна в основных производственных цехах используется технологическое кондиционирование воздуха (поддержание температуры и влажности). Комбинированные теплонаносные системы «тепловой насос - холо­дильная машина», одновременно вырабатывающие теплоту и холод, наиболее экономичны.

особенные требования курортно-оздоровительных и спортивных комплексов к чистоте воздушного бассейна предполагают использо­вание экологически чистых источников энергии, поскольку в таких местах в основном применяются 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»). 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 низкопотенциальную теплоту для теплоснабжения. в этой области развиваются две основные обла­сти применения тепловых насосов: в линиях первичной обработки мо­лока и для теплоснабжения стойловых помещений. 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. с вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое также 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.

тепловая мощность мирового парка по минимальной оценке МИ - рэк составляет около 250 тыс. Мвт, годовая выработка теплоты со­ставляет более 1,0 млрд Ткал, что соответствует замещению органиче­ского топлива в объеме до 80 млн т у. т.

Согласно оценкам специалистов Института экономики НАН Бела­руси, потенциал от внедрения ТНУ только в г. Минске и его окрестно­стях оценивается в 1,7—2,0 млн т у. т. Следует отметить, что шведская фирма «AGA» более 15 лет поставляет на европейский рынок тепло­наносные установки для обогрева жилых помещений, которые могут эффективно применяться и в условиях Беларуси. система теплосбора этой установки - это пластиковый трубопровод с проходным сечением 40 мм, укладываемый в грунт на глубину ниже 1 м, длина трубопрово­да 410 м с антифризом типа тосол. Коэффициент преобразования по­лученной тепловой энергии относительно затраченной электрической равен 3,0. Мощность установки 7,5 кВт. Установка снабжена бойлером вместимостью 320 л и автоматической регулировкой температуры в обогреваемых помещениях с тремя датчиками: внешний метеороло­гический электрический термометр, внутренний электрический тер­мометр для монтажа в помещении и датчик температуры, входящей в систему обогрева воды. Система работает в автоматическом режиме и обеспечивает температуру воздуха в помещениях не ниже 17 °С [Буй­нов, В. П., 1992].