Описание мероприятия

Тепловой насос является преобразователем тепловой энергии, в нем обеспечивается повышение ее потенциала (температуры). Теоретически тепловым насосом может быть всякая холодильная машина, потому что наряду с холодом она неизменно вырабатывает и теплоту. Но тепловым насосом холодильную машину называют лишь тогда, когда она специально предназначена для получения теплоты. Тепловые насосы так же, как и холодильные машины, подразделяются на компрессионные, сорбционные, термоэлектрические.

Схема установки (рис. 8)

Рис. 8

Показателем эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования энергии, называемый также отопительным коэффициентом, h, который равен отношению количества теплоты, полученного потребителем, к затратам энергии на привод установки. Так как в тепловом насосе потребителю передается не только теплота, затраченная на его привод, но и теплота, отобранная у низкотемпературного источника, то, если последняя больше энергопотерь в установке, отопительный коэффициент больше 1. Существует предельно допустимая по экономическим соображениям минимальная величина коэффициента преобразования теплового насоса, ниже которой использование его в качестве преобразователя тепловой энергии оказывается невыгодным. Для Москвы эта среднегодовая величина равна 3. Важным показателем является также коэффициент использования первичной энергии, вычисляемый как произведение коэффициента преобразования и коэффициента полезного действия устройства, предоставляющего энергию для привода теплового насоса (электростанции, котла, дизильного двигателя и т.д.). Например, коэффициент использования первичной энергии компрессионными и сорбционными тепловыми насосами будут приблизительно равны 0,9, если у компрессионного теплового насоса отопительный коэффициент будет равен 3, а КПД электростанции равно 0,3 и, если у сорбционного теплового насоса отопительный коэффициент равен 1,4, а КПД котла - 0,65.

Наибольшее распространение в установках утилизации тепла получили компрессионные тепловые насосы. В них компрессор засасывает из испарителя пары рабочего вещества, сжимает их и подает в конденсатор. Тепло, получаемое в результате конденсации рабочей среды, является полезной энергией и должно быть отведено от конденсатора. Из конденсатора рабочее вещество через регулирующий вентиль поступает в испаритель. Так как в регулирующем вентиле осуществляется снижение давления рабочего вещества, испарение в испарителе происходит при более низкой температуре, чем конденсация в конденсаторе. Поэтому теплота на испарение отбирается от источника с более низкой температурой, чем теплота передаваемая потребителю тепла в конденсаторе.

В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии может использоваться тепло вытяжного воздуха, отработанной воды горячего водоснабжения, грунта, подземных и морских вод, наружного воздуха, солнечной радиации.

Приводами компрессоров в тепловых насосах могут служить электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. Для тепловых насосов большой тепловой мощности используют дизельные и газотурбинные двигатели. Наиболее широкое распространение в качестве привода получили электродвигатели. Однако, в последние годы внимание специалистов привлекают двигатели, работающие на природном газе. Температура теплоносителя, получаемая в тепловых насосах с компрессорами, работающими от электродвигателя, обычно не превышает 50-60С. Более высокую температуру (до 90-95С) получают с помощью компрессора, работающего от газового двигателя, утилизируя тепло отходящих газов (10%) и тепло охлаждающей двигатель воды (33%). При этом коэффициент использования первичного топлива можно довести до 80% (доля энергии топлива, передаваемая в двигателе приводу компрессора, составляет 30%, утилизированное в системе теплового насоса тепло, выделяющееся при работе двигателя, - 50%), а коэффициент преобразования энергии возрастает с 1-4 до 3,5-6,5. Для привода компрессора используется природный газ, который сжигается в газовом двигателе. Мощность двигателя регулируется путем изменения расхода газа.

В конденсаторе вода нагревается до температуры, которая может использоваться для целей горячего водоснабжения или напольного отопления помещений, подогрева воды в бассейнах и т.д.

В результате прохождения через водоохлаждающую рубашку блока газового двигателя вода нагревается до 80-85С. При этом выхлопные газы охлаждаются от температуры 650С до 105С. Затем вода может направляться в теплоутилизатор, где догревается теплом продуктов сгорания.

К недостаткам поршневых газовых двигателей относится высокий уровень шума, который может достигать 95 дБ, поэтому на стадии проектирования таких установок следует уделять внимание мероприятиям по шумоглушению и звукоизоляции.

Для работы теплового насоса большое значение имеет выбор рабочего вещества. Идеальное рабочее вещество характеризуется химической стабильностью (отсутствием разложения и полимеризации в рабочем диапазоне температур), химической инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, невоспламеняемостью, нетоксичностью, низкой стоимостью, невысоким давлением конденсации (не более 1,2 МПа) и низким давлением кипения, близким к атмосферному, высокой относительно температуры конденсации) критической температурой замерзания (ниже температуры кипения), а также высокой эффективностью холодильного цикла. Последнее требование является комплексным.

Поскольку не существует хладагента, который отвечал бы всем требованиям во всем диапазоне температур от кипения до конденсации, применяют хладагенты, удовлетворяющие лишь наиболее важным в данной установке требованиям.

Наиболее распространен хладон R-12, который применяют в одноступенчатых среднетемпературных тепловых насосах в диапазоне температур кипения 10-25С. Хладон R-12 позволяет получить температуру в конденсаторе не более 55-60С. Перспективным считается хладон R-142, с помощью которого обеспечивается нагрев теплоносителя до 90-100С. Недостатком хладона R-142 является его горючесть. При оценке рабочих веществ необходимо обращать внимание на их объемную теплопроизводительность, степень сжатия и максимальное давление в компрессоре. Наиболее высокой объемной производительностью обладает хладон R-12, его потребуется почти в 2 раза меньше, чем хладона R-318 и в 3 раза меньше, чем хладона R-114 для выработки одного и того же количества тепла. Главный недостаток хладона R-12 высокое давление со стороны конденсации, не позволяющее получить тепло с более высокой температурой, чем указано выше. Даже при температуре конденсации 50С давление должно быть 12.105 Па.

Коэффициент преобразования компрессионных тепловых насосов зависит от разности температур кипения и конденсации, чем она ниже, тем выше отопительный коэффициент.

Энергосбережение достигается за счет утилизации низкотемпературной сбросной или природной теплоты.

Схема использования теплоты уходящих газов