Тепловой насос (ТН) осуществляет передачу теплоты от менее нагретой среды (источника низкой температуры ИНТ) к более нагретой (теплоноситель потребителя – источник высокой температуры ИВТ), при этом тепловой насос затрачивает энергию в объемах существенно меньших, чем передает нагреваемой среде. ТН 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). В качестве ИНТ для ТН могут быть использованы: наружный воздух, поверхностные воды (река, озеро, море), подземные воды, грунт, низкопотенциальная теплота искусственного происхождения (сбросные воды, нагретые продукты технологических процессов, очищенная вода станций аэрации, вытяжной воздух систем вентиляции, в том числе, с использованием реверсивного вентилятора и др.) [1].
Широкое распространение получили парокомпрессорные тепловые насосы, в которых перенос теплоты на более высокий температурный уровень осуществляется с помощью хладагента, меняющего свое агрегатное состояние [1,2]. Экономическая эффективность применения тепловых насосов зависит от используемого низкопотенциального источника тепловой энергии, стоимости электроэнергии в регионе, себестоимости тепловой энергии, производимой с использованием различных видов топлива [1,2].
В качестве источника низких температур в европейских странах часто используются грунтовые воды (геотермальные ТН) или воздух (ТН воздух–вода).
На рис. 1 представлена статистика продаж тепловых насосов различного типа в европейских странах в 2009–2015 гг. [2]. Если сравнить 2009 и 2015 гг., то видно, что продажи геотермальных ТН (источником низкопотенциальной тепловой энергии является грунт или поверхностные и грунтовые воды) остаются примерно на одном уровне. Продажа тепловых насосов воздух–вода увеличивается в 3,5 раза.
Общеизвестный факт, что КПД установки для генерации электроэнергии на тепловых электростанциях (без когенерации тепла) от сжигания углеводородов и ископаемого топлива равняется приблизительно 33%, что делает любую конструкцию теплового насоса (ТН) для обогрева жилища и нагрева воды со среднегодовым отопительным коэффициентом (SCOP) менее 3,0 бессмысленной, если основной целью применения ТН ставится сохранение запасов невосполняемых ресурсов. Доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС, составляет приблизительно 60%. Но, в основном, значение SCOP воспринимается как показатель для определения возможного снижения прямых затрат на электроэнергию, которая употребляется на цели отопления и нагрева воды. Этот тезис никак не изменяется фактами наличия генерирующих мощностей с более высоким КПД, как, например АЭС с КПД в 80% и долей вырабатываемой электроэнергии 22%, а также ГЭС с КПД в 92% и долей в 14% от общемировой генерации. Самым «экзотическим» по сей день является привод ТН от двигателя внутреннего сгорания на природном газе с рекуперацией теплоты, отводимой от цилиндра двигателя, экспериментальный характер применения которого исключает его влияние на статистические оценки.
При таком рассмотрении ТН со SCOP<3,0 может использоваться либо для удаления места сжигания топлива от жилища, либо для использования его при создании схем отопления, в которых не заложено исходной первичной цели экономии невозобнавляемых ресурсов, а поставлена цель снижения стоимости потребляемой энергии.
Вопрос о величине COP ТН значительно зависит от выбора низкопотенциального источника (источника низкой температуры — ИНТ) и нет никакого практического смысла в сравнении, например, воздуха (окружающего, а не выбросного из систем вентиляции) и воды из различных источников. Величина СОР зависит также от источника высокой температуры — ИВТ. Интерес к воздуху как ИНТ вызывается только его универсальной доступностью.
Разные климатические зоны расположения объектов отопления, и, следовательно, разные характерные значения SCOP ТН типа «воздух-вода», исключают попытки найти универсальный алгоритм конструирования таких установок, и такой ТН для юга ФРГ и севера Ленинградской области будут сильно отличаться.
Для расчета COP теоретических циклов использовались значения перепадов температур, приведенных в таблице 3:
Результаты расчета значения СОР цикла одноступенчатого теплового насоса для нескольких рабочих веществ с учетом реальных значений эффективного КПД (ηе) серийных компрессоров производства фирмы Copeland [5] для различных отношений температур кипения T0 и конденсации Tк и соответствующего значения степени сжатия в компрессоре π приведены в таблице 4.
Из приведенного расчета (выполнялся с использованием программы CoolPack) видно, что для условий Ленинградской области работа ТН в одну ступень энергетически и экономически невыгодна, причем данные расчетов при применении HFC и R290 не обозначают существенных преимуществ выбора какого либо из рассмотренных хладагентов. Однако, принимая во внимание разницу ночного и дневного тарифов на электроэнергию для региона: 2,62/4,55 руб/кВт*час соответственно, и предположив применение аккумулятора теплоты (АТ, «промежуточный ИВТ» с температурой +10°С) в схеме ТН, включенного так, как показано на рис. 2, можно рассчитывать на следующий теоретический результат.
Отопительный коэффициент СОР=2,7 с учетом раздельных тарифов «день\ночь» и использования электронагрева (ТН воздух вода+АТ)/Прямой электронагрев.
Для получения вышеприведенного результата применялись одноступенчатые циклы, характеристики которых приведены в таблице 5.
Заметим, что в такой схеме теплопроизводительность ТН1 оценочно должна превышать аналогичный показатель ТН2 в 2 раза.
Общая эффективность теплонасосной установки «воздух-вода» зависит от решения классических для парокомпрессионной технологии вопросов: выбора однокомпонентного рабочего вещества или применение неазотропных смесей, уменьшение массы заправки применением, например, теплообменного оборудования с использованием «микроканальной» технологии. Повышение эффективности работы теплового насоса «воздух-вода» можно осуществить выработкой алгоритмов управления ветвями каскадной установки с созданием нестационарного теплового режима аккумулятора теплоты.
Список литературы
- Калнинь, И.М. Перспективы развития тепловых насосов // Холодильная техника. – 1994. – №1.
- Европейский рынок тепловых насосов // Журнал “АВОК”. – №7. – 2016.
- Venzik, V., Roskosch, D., Atakan, B., Propene/isobutane mixtures in heat pumps: An experimental investigation // Int. J. Refrigeretion. – 2017. – 76. – P. 84–96.
- Wang, G., Chen, Z., Li, C., Jiang, B., 2017. Preliminary theoretical analyses of thermal performance and available energy consumption of two-stage cascade cycle heat pump water heater. Int. J. Refrigeretion. – 82. – P. 381–388.
- Xu, S., Fan, X., Ma, G., 2017. Experimental investigation on heating performance of gas-injected scroll compressor using R32, R1234yf and their mixture under low ambient temperature // Int. J. Refrigeretion 75. – P. 286–292.
Авторы:
- Носков А.Н.1, д.т.н., профессор, Университет ИТМО, Россия, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, E-mail: dn.noskoff@rambler.ru
- Сысоев С.В.1, аспирант, Университет ИТМО, Россия, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, E-mail: ssyssoev@mail.ru
