И. Г. Крахмалин, канд. техн. наук, Е.Л.Люсин, инж. (ЗАО «НПО «Промэнерго», г. Нижний Новгород) Существует распространенное мнение, что тепловой насос (ТН) не может быть энергосберегающим оборудованием, так как он потребляет электроэнергию, на производство которой расходуются энергоресурсы, КПД энергоисточников низкий, удельный расход условного топлива превышает разумные пределы. На производство 3 кВт·ч тепловой энергии с помощью ТН требуется 1 кВт·ч электроэнергии, если ТН работает за счет использования тепла подземных вод (при температуре воды +8 °С), а при работе на сбросном тепле производственных предприятий (при температуре теплоисточника +40°С) на 1 кВт·ч затраченной электроэнергии приходится уже6 кВт·ч тепловой, причем полученная энергия распределяется следующим образом: 87% -энергия теплоисточника, 13% - энергия привода компрессора. Безвозвратно теряется небольшая часть электроэнергии в процессе превращения электрической энергии в механическую, а затем в тепловую, в зависимости от КПД электропривода и компрессора. В то же время по инициативе частных фирм за последние 15 лет разработаны и внедрены ТН различных типоразмеров, позволяющие утилизировать низкопотенциальное тепло сбросных и подземных вод.

Так, например, в г. Нижнем Новгороде ТН компрессионного типа, утилизирующие тепло сбросной воды после конденсаторов турбин Сормовской ТЭЦ,установлены на самой ТЭЦ и на рядом расположенной Сормовской нефтебазе. В природоохранной зоне Горьковского автомобильного завода для теплоснабжения гостиничного комплекса установлены два ТН суммарной тепловой мощностью 600 кВт взамен угольной котельной. В Нижегородской области ТН используется в системе оборотного водоснабжения Медико-инструментального завода (г. Ворсма), а также на базах отдыха для утилизации тепла подземных вод. ТН мощностью 550 кВт с винтовым компрессором установлен на базе отдыха «Солнечная поляна» Инютинского заповедника. Другой тип установки с внутритрубным кипением фреона мощностью 175 кВт установлен в пос. Лукино (Балахнинский район).

Технология производства тепловой энергии на примере теплонасосной установки НТПБ-300.

В период сервисного обслуживания теплонасосного пункта (ТНП) на Сормовской нефтебазе был осуществлен мониторинг основных параметров работы ТН за время отопительного периода. При этом температура воздуха в помещениях и температура теплоносителя системы отопления находились в пределах проектных значений, а коэффициент преобразования ТН (отношение полученной тепловой энергии к затраченной) менялся от 3,1 в самый холодный период времени (-25 °С) до 4,7 (при +5 °С наружного воздуха). Установленный на данной нефтебазе ТН (НТПБ-300) тепловой мощностью 300 кВт состоит из трех контуров: - первый - водяной, связывающий ТН с низкопотенциальным источником тепла (НИТ), в данном случае - это сбросная вода после конденсаторов Сормовской ТЭЦ. Средняя температура воды в сбросном канале (Тнит) зимой составляет +11 °С, летом - +18°С. Вода из канала погружным насосом подается в испаритель ТН по трубопроводу заборной воды и затем сбрасывается обратно в канал ниже по течению. ТНП находится в непосредственной близости от канала, поэтому потери тепла при движении воды по теплоизолированному трубопроводу минимальные; - второй - также водяной, по которому циркулирует сетевая вода системы тепло-снабжения, отбирающая тепло от конденсатора ТН и отдающая его потребителям; - промежуточный - хладоновый, в котором хладон циркулирует по замкнутому контуру, меняя фазовое состояние, превращаясь из жидкого в газообразный, из холодного в горячий.
Испаритель ТН выполнен в виде горизонтального кожухотрубного теплообменника, внутри которого размещен латунный трубный пучок. Вода НИТ сбросного канала погружным насосом подается в трубный пучок испарителя. Хладагент находится в межтрубном пространстве испарителя (возможно использование фреона R42b или смеси фреонов R42b и R22). С помощью дроссельного устройства на линии всасывания хладагента давление в испарителе настраивается такое, при котором температура кипения хладагента составляет +2 - +3 °С.
Конденсатор представляет собой такой же теплообменный аппарат, как и испаритель. Попадая в межтрубное пространство с температурой до 100 °С и вступая в теплообмен с обратной водой системы отопления (+55 °С), хладагент конденсируется на «холодных» трубках, и стекает на дно конденсатора. Подогретая в конденсаторе ТН до 70 °С сетевая вода подается потребителю, в данном случае на обогрев административного здания и хозяйственно-бытовых помещений нефтебазы.
Количество произведенной в ТН тепловой энергии суммируется из энергии воды НИТ, полученной в испарительном блоке, и тепловой энергии, полученной в результате работы компрессора в процессе сжатия газообразного хладагента.

Особенности эксплуатации теплового насоса.

При строительстве ТНП на Сормовской нефтебазе необходимо было решить две задачи: обеспечение качества заборной воды и бесперебойного энергоснабжения. Для защиты погружного насоса от мусора был установлен специальный экран и, кроме того, дополнительно для защиты испарителя от мелкодисперсной грязи (ил, песок) погружной насос был помещен в кожух из медной сетки с ячейками размером 0,7 мм. В процессе эксплуатации появилась проблема с подачей воды в испаритель: сетка часто забивалась, погружной насос прекращал подачу воды, а автоматика отключала ТН. По этой причине, а также по причине ненадежного электроснабжения (частое аварийное отключение электроэнергии от перегрузок) к обслуживанию установки был привлечен дежурный персонал (4 чел.), что привело к дополнительным расходам и дополнительному риску увеличения аварийных ситуаций из-за возможного влияния «человеческого фактора».Для предотвращения несанкционированных остановок ТН и повреждения оборудования на линии подачи заборной воды в испаритель был установлен датчик контроля наличия воды в трубопроводе. Это позволило при снижении расхода воды до предельной величины автоматически отключать ТН и при этом продолжать циркуляцию сетевой воды по контуру теплосети, но уже минуя ТН. В периоды отключения ТН температура в системе отопления поддерживается за счет тепла, накопленного в баке-аккумуляторе. Скорость снижения температуры воды в системе в первые 6-7 ч после остановки ТН не превышает 1,5 °С/ч, в последующие 10 ч температура снижается по экспоненциальному закону, а к исходу суток температура во всех точках системы отопления становится практически одинаковой. Поэтому для более надежного теплоснабжения, проектом была предусмотрена параллельная работа ТН с электрокотлом в режиме максимальных нагрузок, а также для работы в аварийном режиме поддержания минимальной температуры в системе отопления. Кроме того, наличие в системе встроенного электрокотла позволило сократить капитальные затраты при изготовлении ТН на 15% за счет снижения его установленной мощности.

Пример экономической эффективности теплового насоса.

Для отопления гостиничного комплекса Горьковского автомобильного завода взамен угольной котельной установлен ТНП тепловой мощностью 0,516 Гкал/ч (600 кВт). За отопительный период ТНП производит тепловую энергию, эквивалентную расходу угля старой котельной, в количестве 450 т (585 тыс. руб./год). При этом затраты на электроэнергию, потребляемую приводом ТН, при среднем за отопительный период коэффициенте преобразования 3,8 составляют 297,4 тыс.руб./год. Капитальные затраты в установку составили 7,5 млн руб. (в ценах 2000 г.). Условная экономия от внедрения ТН - 287,6 тыс. руб./год (при тарифе на электроэнергию 0,72 руб./кВт·ч). Расчетный срок окупаемости проекта - 2,5 года. По результатам отопительного сезона затраты несколько превысили расчетные и величина его была скорректирована до 3 лет. Как показывает зарубежный опыт, срок окупаемости, равный 2-4 годам, достигается при соотношении стоимости электроэнергии к стоимости тепловой энергии менее 3:1.

Перспективные проекты.

Наиболее перспективными проектами в теплонасосостроении является внедрение ТН компрессионного типа на очистных сооружениях и в системе оборотного водоснабжения предприятий. Экономическая эффективность таких проектов значительно возрастает за счет высокого энергетического потенциала сбросного тепла. Температура воды НИТ в этих случаях составляет 20-60 °С. Коэффициент преобразования ТН может достигать 8.

Проводились технико-экономические расчеты эффективности внедрения ТН компрессионного типа на очистных сооружениях в гг. Павлове, Нижнем Новгороде и Семенове. Так, при средней стоимости топочного мазута для Павловского района около 4500 руб./т расчетный срок окупаемости капитальных вложений при строительстве ТНП мощностью 700 кВт, предназначенного для подогрева сырой подпиточной воды мазутной котельной на одном из заводов, составил около 2 лет.

Интересен также проект ТН небольшой тепловой мощности (10-25 кВт) для отопления жилого здания площадью 200-500 м2. Низкопотенциальным источником тепла в этом случае, как правило, служит подземная вода. Габариты ТН не превышают размеры небольшого домашнего холодильника, что позволяет разместить его в подвальном помещении жилого здания. С 1998 г. в Борском районе Нижегородской области успешно работают два ТН коттеджного типа тепловой мощностью 17,5 и 21 кВт, которые обеспечивают теплом и горячей водой здания площадью 300-350 м2. Вода забирается из скважины, обустроенной внутри дома в подвальном помещении, а после охлаждения сбрасывается в водоем. Другим примером является ТН тепловой мощностью 65 кВт, установленный на производственной базе «Символ» (г. Нижний Новгород), для отопления производственных помещений площадью 1200 м2. Привод компрессора управляется частотным регулятором с использованием микропроцессорного блока, поэтому вмешательство в работу ТН не требуется, кроме периодического контроля за уровнем масла в компрессоре охранным персоналом производственной базы. Теплонасосные установки, применяющие грунт в качестве источника тепла, получили большое распространение за рубежом для теплоснабжения жилых и административных зданий. Грунт, как и подземные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру, обеспечивающую высокий коэффициент преобразования ТН.

Снижение экологической нагрузки на окружающую среду.

В проектах на теплонасосную технику обязательно разрабатываются разделы по экологической безопасности. В настоящее время в Европейских странах современные теплонасосные установки типа «вода - вода» имеют коэффициент сезонной производительности (отношение общей тепловой энергии, выработанной за сезон, к общей израсходованной электроэнергии за сезон), равный 4. Но, например, даже теплонасосная установка, имеющая коэффициент сезонной производительности равный 2,75, выбрасывает в атмосферу СО2 на 35% меньше, чем газовая установка с КПД 95%.

Некоторые проблемы внедрения теплонасосной техники.

Почти все упоминаемые выше ТН имеют компрессоры со встроенным электродвигателем. Достоинство - естественное охлаждение электродвигателя компрессора газообразным хладагентом в процессе его циркуляции, но в то же время при нарушении режимов работы и отказе защитной автоматики происходит короткое замыкание на обмотках электродвигателя с последующим выходом его из строя.При монтаже ТН мало внимания уделяется контролю сварных швов и качеству сборки, в результате чего в процессе работы появляются течи, потеря хладона. Заделка «свищей» на сварных швах производится только при пустом фреоновом контуре, а это опять потеря времени и дополнительные расходы.
Внедрение ТН - мероприятие дорогостоящее, поэтому экономить приходится на всем и иногда оборудование устанавливается недоброкачественное. Все это потом сказывается на эффективности, аварийности и дополнительных расходах, что, в конечном счете, компрометирует саму идею внедрения ТН в нашем регионе.
Аналогичные проблемы есть и в Новосибирской области - одном из центров теплонасосостроения. Благодаря региональной программе энергосбережения специалистам ЗАО «Энергия» за несколько лет удалось внедрить более 200 ТН различной мощности, тем не менее, спрос на ТН не велик.
Подобная картина наблюдалась в Западной Европе, но благодаря вмешательству государственных программ и частных фирм, а также росту цен на нефтепродукты, спрос на ТН увеличился.
Распространению ТН в Швеции после 1995 г. способствовали три важных фактора:
- субсидии правительства на переход от использования жидкого топлива и электро обогрева к отоплению тепловыми насосами;
- рост строительства нового жилья;
- введение Шведской ассоциацией тепловых насосов сертифицирования монтажных организаций, подтверждающего наличие достаточной квалификации для установки ТН. Особое внимание также уделялось потребительской надежности и безопасности ТН. Видимо, поэтому в Швеции с населением 9 млн чел. 350 тыс. семей обогреваются за счет использования ТН.
В Финляндии увеличение капитальных расходов на ТН по сравнению с электрообогревом и котлами, работающими на жидком топливе, в течение 3-5 лет окупается сокращением эксплуатационных расходов. Это способствовало расширению продаж ТН. Их доля на рынке теплоснабжения за последние 10 лет выросла с 1 до 30% (для ТН с использованием теплоты грунта).В России практически во всех регионах разработаны программы энергосбережения, в которых предусматриваются мероприятия по экономии первичных видов топлива за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), в том числе и ТН. Потенциал всех НВИЭ составляет 170 млн т (у.т.) ежегодно, что соответствует 22% общего энергопотребления в стране. По данным Объединенного института высоких температур РАН, 12% потенциала НВИЭ можно реализовать с помощью ТН