ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Тепловые насосы

Уже в XIX в. был разработан принцип действия теплового насоса, который до сегодняшнего дня используется в каждой холодильной уста­новке. При работе теплового насоса теплота отбирается от менее нагретого источника и передается более нагретому приемнику путем ввода в систему дополнительной механической энергии. Рисунок 10.16 иллюстрирует про­цесс с использованием в качестве рабочего тела газа пропана R290.

В южных широтах тепловые насосы хорошо известны и применяют-

решением этой задачи. Для обогрева тепловые насосы применялись до­вольно редко, поэтому на потребительском рынке возникает много вопро­сов по их использованию несмотря на их удобства и преимущества.

Тепло, требуемое большую часть года, веками получалось за счет сжигания топлива. Сначала это был уголь, затем началось использование нефти. В настоящее время все более широкое применение находит при­родный газ.

Технология работы теплового насоса относительно проста. С термо­динамической точки зрения этот способ нагревания нерационален. Однако сегодня требуются технические новшества, чтобы отойти от пути «обыч­ного» сжигания топлива и ввести в практику новые технологии тепло­снабжения. В больших плотно застроенных районах, где транспортировка тепловой энергии возможна без больших потерь, целесообразно использо­вание центральных отопительных систем.

Тепловые насосы особенно пригодны для одно - и двухквартирных домов, и в этом секторе начинают конкурировать с тепловыми системами, работающими на природном топливе.

помещений

В конце шестидесятых годов были сделаны первые попытки исполь­зовать для получения полезной тепловой энергии термодинамические сис­темы, обеспечивающее сбережение первичной электроэнергии при выра­ботке тепла. Однако уровень цен на энергию, капитальные затраты и тех­нические трудности сделали эти попытки безуспешными. Кризис цен на нефть в 1973 году выявил необходимость использовать для получения теп­ла другие источники с непрямым преобразованием электрической энергии в тепло.

Для уяснения проблемы рассмотрим диаграммы расхода энергии. На рис. 10.17 показано распределение энергии при использовании системы центрального отопления, работающей на жидком топливе. Согласно ис­следованиям, проводимым Fichtner Development Engineering с 1993 г., из 100 % сырой нефти используется как топливо для отопительных систем только 84 % из-за расхода энергии на добычу, транспортировку и очистку. Даже при годовом коэффициенте использования топлива 85 % только 71 % первичной энергии будет представлять собой полезную тепловую энергию на выходе системы отопления.

Рис. 10.17. Диаграмма распределения энергии при работе системы цен­трального отопления на жидком топливе, %

На рис. 10.18 показано распределение энергии для современных теп-
помещений

ловых насосов, которые все шире используются в новых зданиях в Герма­нии. Электрическая энергия производится с использованием различных первичных источников энергии на электростанциях со средним коэффици­ентом полезного действия 36 %. Из-за расхода энергии на транспортировку топлива только 97 % первичной энергии достигает электростанции. На вы­ходе электростанции полезная энергия составляет 35 % первичной, и вследствие потерь при ее транспортировке потребителем используется только 33 %. Современные тепловые насосы с показателем эффективности 4,0 увеличивают выход полезной энергии до 133 % от первичной. Даже для показателя эффективности теплового насоса 3,0 все потери на длинном пу­ти от сырого топлива до полезной энергии у потребителя оказываются скомпенсированными.

На рис. 10.19 дано сравнение эффективности работы различных сис­тем получения тепловой энергии. Показано, что применение тепловых на­сосов с электрическими двигателями значительно повышает коэффициент использования первичной энергии.

помещений

систем. Максимальное образование СО2 происходит при работе на жидком топливе. Переход на природный газ уже ведет к заметному уменьшению выбросов СО2. Еще лучше показатели при использовании тепловых насо­сов.

353

A

помещений

Рис. 10.20. Выделение CO2 при работе различных систем нагрева

Перспективно применение тепловых насосов на электростанциях для утилизации низкотемпературного тепла. Даже электростанции нового по­коления имеют большие резервы развития в отношении лучшего использо­вания энергии. Новые электростанции имеют коэффициент полезного дей­ствиям приблизительно 58 %. Использование тепловых насосов с показа­телем эффективности 4,0 на тепловых станциях позволяет повысить эф­фективность их работы до 200 %, что в 2,5 раза выше, чем у станций, рабо­тающих на газе.

Обширной областью применения тепловых насосов является обору­дование ими существующих зданий. Сейчас в жилищном фонде использу­ются главным образом системы водяного центрального отопления. При низкой наружной температуре необходимо поддерживать температуру во­ды в системе отопления между 70 и 90 °С. 39 % жилищного фонда отапли­вается системами, работающими на жидком топливе, 32 % - работающими на газе. Для этих зданий, независимо от их размера, разработана двойная система нагрева, в которой тепловой насос дополняет существующую сис­тему.

Такие двойные системы рентабельны уже при получении от теплово­го насоса 25 - 50 % требуемой энергии. Однако фактически тепловой насос покрывает от 65 до 85 % годовой потребности в тепловой энергии (рис. 10.21). Только при очень низких температурах наружного воздуха бойлер включается в работу. В этих системах теплота отбирается от наружного воздуха, такой источник энергии имеется повсюду и легко доступен. Включение тепловых насосов в системы обогрева зданий технически дос­таточно простое. В настоящее время в Германии работают 45 000 подоб­ных тепловых установок.

Вторую часть рынка тепловых насосов составляют новые здания. Она намного меньше по объему, но очень важна с психологической точки

зрения. Хотя ежегодно реконструируется только около 1.. .2 % сущест­

вующих здании, но они представляют значительный потенциал для

При работе теплового насоса используется вода с относительно низ­кой температурой, поэтому радиаторы не применяются. Конвекторы также редко используются в жилых помещениях в Германии. Наиболее перспек­тивными являются системы отопления горячим воздухом и с подогревом пола. Однако в Германии системы отопления горячим воздухом, для кото­рых необходима дорогая управляющая электроника, почти не применяют­ся.

Оптимальным решением является система подогрева пола с исполь­зованием теплового насоса. С энергетической точки зрения предпочти­тельно иметь относительно толстые пластмассовые трубы (размером 20х2 мм), обеспечивающие теплопередачу к поверхности пола без больших по­терь. Тепловые насосы в системах обогрева могут достигать годового по­казателя эффективности между 3,5 и 4,5.

В зданиях с низким потреблением энергии, в которых поддерживает­ся плотность внешнего покрытия, температура воды на входе может быть уменьшена до 30 °С в наиболее холодные дни. При этом станет возмож-
помещений

ным увеличение годового показателя эффективности до 5,0. Температура воды в системе отопления автоматически поддерживается в соответствии с температурой наружного воздуха. Благодаря автоматическому контролю в работе системы отопления учитывается также действие других источников тепла, например солнечной радиации.

Тепловые насосы представляют собой экологически чистые системы, которые способствуют сбережению энергии и уменьшению образования СО2. Более того, они позволяют управлять потребностью в тепловой энер­гии. Модернизация электростанций и существующих заводов в будущем повысит значимость тепловых насосов. Модернизированные электростан­ции, парогазовые установки, комбинированная выработка тепловой и элек­трической энергии (где процесс, конечно, синхронизирован с системой на­грева) - области применения тепловых насосов, которые значительно луч­ше систем, основанных на сжигании газа или жидкого топлива, благодаря термодинамическим преимуществам и возможности использования возоб­новляемой энергии. Постепенно применение тепловых насосов охватит всю область генерирования низкотемпературного тепла для отопления по­мещений.

В заключение можно сказать, что тепловые насосы с использованием возобновляемой энергии и регенерацией тепла являются наиболее пер­спективной системой выработки тепловой энергии. В будущем эти систе­мы займут прочное место на рынке.