VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Применение и особенно производство тепловых насосов в нашей стране развивается с большим опозданием [1]. 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 насосына 45 и 65 кВт). Большая частьтепловых насосовэтого 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 насосовоценивается 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 новоеэнергетическое оборудование, каким являютсятепловые 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 2017 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 2017г. - 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.

Проект, представленный ЗАО "Энергия" (Новосибирск), 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 и 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 край. Тепловые 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 Каменномостская, Адыгея; 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.

Известно, что в качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяют коэффициент преобразования [2]

(1)

где Q_о – тепловая энергия, отбираемая от нижнего источника; Q_кон– теплота, отдаваемая верхнему источнику (конденсаторе); L_k ‒ работа, используемая на привод компрессора; T_k и T₀– температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

В реальных ТН имеют место энергетические потери из-за необратимого теплообмена между хладагентом и верхним и нижним источниками тепла в конденсаторе и испарителе установки. Из-за необратимого теплообмена температура кипения рабочего агента в испарителе Т₀ниже температуры нижнего источника тепла Тн (Т₀Т_В). Дополнительная затрата работы из-за необратимого теплообмена возрастает с увеличением разности температур в испарителе ∆Т_И= Т_Н ‒Т₀и в конденсаторе ∆Т_К=Т_В ‒ Т_к.

Следует также отметить, что процессы фазового превращения хладагента являются также необратимыми и сопровождаются производством энтропии. Количество теплоты, отведённое (подведенное) от хладагента к какому-либо дифференциальному объему рабочего тела теплообменника ТН, можно представить в виде [3]

(2)

где d_еSd– скорость изменения удельной энтропии в элементарном термодинамическом процессе хладагента только за счет теплообмена с внешней средой; d_iSd– скорость изменения удельной энтропии в элементарном термодинамическом процессе ТН только за счет внутренних процессов.

При этом условие минимальной диссипации теплоты сводится к минимизации производства энтропии, возникающего вследствие неравновесности протекающих в ТН процессов, и общая задача оптимизации имеет вид [4]:

(3)

Минимальное значение выражения (3) характеризует максимальные возможности теплонасосной установки, при котором необратимые потери работоспособной тепловой энергии (эксергетические потери) будут наименьшими.

Л и т е р а т у р а

1 http://teplovoy-nasos.com/

2 Амерханов Р.А. Тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 2005. – 160 с.

3 Зейнетдинов Р.А. Оптимальная организация процессов необратимого тепломассообмена в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Известия СПбГАУ. СПб. 2010. – №21. – с. 260-268.

4 Зейнетдинов Р.А.Термодинамический анализ технологических процессов в системе охлаждения поршневых двигателей. Технико - технологические проблемы сервиса. СПбГУСЭ. СПб: 2011. ‒ №17.‒ С.52-55.

Код для цитирования: Скопировать