ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В АНГЛИИ
Первый английский тепловой насос для крупного здания объемом 14 200 м3 был установлен в Норвиче [7], его схема показана на рис. 1.2.
Источник тепла — речная вода. Температура подаваемой воды 50° С. Хладоагентом была двуокись серы, коэффициент преобразования (КОП) (см. определение в гл. 2) около 3. Использовали бывший в употреблении компрессор выпуска 1926 г. с ременной передачей от электромотора постоянного тока. В зависимости от наружных и внутренних условий потреблялась мощность 40— 80 кВт.
|
Рис. 1.2. Схема теплового насоса Самнера для норвнчской электрослужбы. 1 — река; 2 — водяной насос; 3— речная вода 4,5 °С; 4 — нагретая вода 50 °С; 5 — обратная вода 44,5 °С; 6 — сбросная вода 3,3 °С; А — испаритель; В — конденсатор; С — компрессор; D — дроссель. |
В исторических обзорах чаще упоминается другая теплонасос - ная установка в Англии на набережной Темзы в Лондоне, в концертном зале «Ройял фестивал холл» [8]. Эта установка также была экспериментальной, предназначенной для отопления зимой и охлаждения летом, ее тепловая мощность 2,7 МВт. Фактическая пиковая тепловая нагрузка для здания была преувеличена. Источник тепла—вода в Темзе, температура подаваемой воды 71° С. В режиме охлаждения подавалась вода с температурой 4° С. Приводной двигатель «Rolls-Royce Merlin» переведенный на городской газ, мощностью 522 кВт. Центробежный компрессор был создан из турбонагнетателя воздуха в двигатель.
Тепло от конденсатора теплового насоса дополнялось поступлением тепла от системы охлаждения газового двигателя. В качестве хладоагента применен R12, достигнут коэффициент преобразования 5,1 и коэффициент первичной энергии (КПЭ) (см. гл. 2) установки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в основном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения составили 103 200 ф. ст. (в ценах 1953 г.), тогда как при правиль-
|
Таблица 1.2. Характеристики первых тепловых насосов в Англии
|
Ном выборе нагрузок они составили бы 52 500. Характеристики этой и других английских установок приведены в табл. 1.2.
Один из первых успешно работавших домашних тепловых насосов установил в своем доме Самнер [10] — конструктор описанной выше установки в Норвиче. Одноэтажный дом имел хорошую теплоизоляцию и полностью отапливался тепловым насосом. Сначала, в первые годы эксплуатации, источником тепла был воздух, а за-
|
Рис. 1.3. Общая схема установки Наффилд колледжа в Оксфорде. 1 — подаваемая и обратная вода; 2 — радиаторы нормальной температуры; 3 — радиаторы пониженной температуры; 4 — встроенные панели; 5 —горячее водоснабжение; 6 —насос; 7 — байпасный клапан; 8 — теплообменник; 9 — конденсатор; 10 — трубопровод нагретого газа; 11 — главный циркуляционный насос; 12 — котел, использующий тепло двигателя; 13 — переохладнтель; 14 — дизельный двигатель; 15 — линия всасывания; 16 — компрессор; 17 — насос охлаждающей двигатель воды; 18 — насос испарителя; 19 — перегреватель; 20 — дроссельный клапа»; 21 — испаритель; 22 — иоаксиалыгый теплообменник; 23 — сброс; 24 — канализация; 25 — байпас; 26 — напорный трубопровод; 27 — отстойник; 28 — насос сточной воды. |
Тем — подземный теплообменник, использовавший тепло грунта на глубине около 1 м. В комнаты тепло поступало по медным трубкам, вмонтированным в бетонный пол. Коэффициент преобразования составляет 2,8, и установка нормально работает в настоящее время.
В 50-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения (см. установку Лукаса в гл. 5). Наиболее подробно описан холодильник-нагреватель Ферранти [11], осуществляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева воды. Аккумулятором тепла служил бак па 136 л, нагреваемый зимой мощностью 0,7 кВт и летом в жаркие месяцы мощностью 1,3 кВт,
Мощность компрессора 400 Вт, температура кладовки снижается в среднем на 11° С. Интересно, что установка стоила 141 ф. ст., но она была в то время отнесена к предметам роскоши и на нее произведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей. Однако те установки, что были проданы, работали хорошо.
Тепловой насос в Наффилд колледже (Оксфорд), который еще существует, хотя и не работает, был запроектирован в 1954 г. [121. Источник тепла — сточные воды с температурой 15—24° С. Привод компрессора от дизеля мощностью 31 кВт, общий КОП составляет около 4. Схема приведена на рис. 1.3. Стоимость тепла, даваемого этим тепловым насосом, была сопоставлена со стоимостью тепла от котельной и теплового насоса с электроприводом: 2,4, 3,15 и 3,8 пенса за 1 МДж соответственно (все в ценах 1936 г.). Стоимость нефти тогда была 3,7 пенса за литр, электричества 1,375 пенс/(кВт • ч). Стоимость установки 9310 ф. ст., или 73 ф. ст./кВт тепловой мощности. Как показано на рис. 1.3, тепло охлаждения двигателя используется для дополнительного нагрева воды, которая обогревает колледж. Тепловая мощность установки 150, а полная расчетная тепловая нагрузка 450 кВт.
1.2.2. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В США
Ранние проекты, выполненные в США, уже упоминались. В конце 40-х годов было установлено, что коммерческий успех будет выше, если выпускать «агрегированные» установки, полностью
Собранные на заводе-изготовителе и встроенные в дома. В 1952 г. такие тепловые насосы поступили на рынок в большом количестве [4]. В первый год было выпущено 1000 агрегатов, в 1954 г. вдвое больше и в 1957 г. — в 10 раз больше. В 1963 г. было выпущено уже 76 000 агрегатов, причем большинство из них установлено в южных штатах, где требуется летнее охлаждение и отопление зимой. Такие тепловые насосы успешпо конкурируют с обычными котлами, дающими только тепло.
Проблемы возникли, когда эти установки начали применять в холодных северных штатах и выявился их недостаточный ресурс. За агрегированными тепловыми насосами установилась репутация ненадежных устройств. Это привело к прекращению роста выпуска в начале 60-х годов вплоть до 1971 г., когда снова начался их рост. За период застоя производства были. разработаны новые, более надежные агрегаты н, что более важно, изготовители помогли инженерам, устанавливающим и наблюдающим за агрегатами, лучше ознакомиться с ними. Было проведено несколько исследований надежности (см. гл. 4), а в 1974 г. Институт охлаждения и кондиционирования воздуха выдвинул программу аттестации и классификации тепловых насосов по их назначению. Эта работа продолжается в настоящее время.
В 60-е годы стоимость электроэнергии в США сильно снизилась, что дало преимущества прямому электроотоплению в ущерб тепловым насосам, спрос па которые упал и в связи с ненадежностью.
Но в 1973 г. энергетический кризис положил начало новому периоду быстрого роста интереса к тепловым насосам. В 1976 г. было продано 300 тыс. агрегатов, а их полное число в США превышает 2 млн.
