Автор: И.М. Калнинь, д-р техн. наук; Л.Я. Лазарев, А.И. Савицкий, кандидаты техн. наук
Проблема теплоснабжения является одной из наиболее острых в энергетике. Современный анализ энергопроизводства и энергопотребления в мире показывает, что несмотря на наметившееся уменьшение доли потребляемого органического топлива в общем балансе за счет использования возобновляемых источников энергии(ветровой, геотермальной, солнечной, биоэнергии и др.), по крайней мере в первой половине XXI века, основным источником энергии по-прежнему останется органическое топливо - газ, нефть и уголь. Это означает, что при использовании традиционных способов теплоснабжения сохранится и интенсивность выбросов вредных продуктов сгорания органического топлива.

Последние два десятилетия в технической и научной периодике продолжается дискуссия об эффективности принятого в России (а ранее в СССР) для крупных и средних городов централизованного теплоснабжения, основанного на комбинированном способе производства тепла и электроэнергии на ТЭЦ. Становится все очевиднее, что преимущества комбинированного способа производства тепла и электричества (экономия топлива, дешевизна и др.) обесцениваются значительными потерями тепла в протяженных тепловых сетях, огромными затратами на их сооружение, эксплуатацию и ремонт [1]. Теплоснабжение средних городов и поселков осуществляется в основном от небольших ТЭЦ и котельных, размещенных в черте населенного пункта, вредные выбросы которых наносят большой ущерб населению.

Альтернативой этой традиционной системе теплоснабжения могут служить теплонасосные установки (ТНУ) [2], превращающие низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, грунта, воздуха), а также "тепловые отходы" промышленных предприятий и коммунальных служб в тепловую энергию требуемого потенциала. Перенос теплоты от источника низкого потенциала (ИНТ) на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в компрессоре (парокомпрессионные ТНУ) или дополнительным подводом тепла (в абсорбционных ТНУ).

Применение ТНУ кардинально улучшает условия теплоснабжения: в 2 раза может быть сокращено потребление первичной энергии (органического топлива); система теплоснабжения становится децентрализованной, не требующей протяженных тепловых сетей; производство электроэнергии и связанный с ним выброс продуктов сгорания органического топлива могут быть вынесены за пределы населенных пунктов.

Эффективность использования ТНУ во многом связана с наличием (выбором) источника низкопотенциальной теплоты. ИНТ может быть выбран для широкого применения однотипных ТНУ в регионе: теплота фунта, грунтовых вод, воды естественных водоемов (в том числе морской воды) и т.п. Однако во многих случаях применение ТНУ определяется локальными условиями конкретного потребителя: наличием местного ИНТ, особенностями использования произведенного тепла, особенностями местного энергоснабжения и др. В этом случае теплоснабжение с помощью ТНУ вполне может вписаться в имеющуюся централизованную систему города или поселка.

К настоящему времени наибольшее распространение в системах отопления зарубежных стран (США, Канады, Швеции, Дании, Нидерландов, Германии, Японии и др.) получили ТНУ пароком-прессионного типа. Мерой энергетической эффективности ТНУ этого типа может служить коэффициент преобразования энергии ?, характеризующий отношение отданного потребителю тепла к затраченной механической (электрической) энергии. В первом приближении можно считать, что µ в основном зависит от разницы требуемой для потребителя температуры теплоносителя и температуры источника тепла низкого потенциала. Оценки показывают [2], что для удачно спроектированных систем отопления коэффициент ? изменяется от 2,5 до 6-8. Отметим, что уже при µ >2,5-3 использование ТНУ может оказаться выгоднее, чем теплоснабжение от ТЭЦ и индивидуальных котельных.

По конструкции, принципу действия, составу оборудования, используемым рабочим телам ТНУ практически не отличаются от широко распространенных холодильных машин. Разработанные в России тепловые насосы [3,5] производятся, как правило, заводами холодильного машиностроения и их широкому использованию для теплоснабжения нет никаких технических ограничений. ТНУ малой тепловой мощности (1-15 кВт) могут быть эффективно использованы для индивидуального теплоснабжения потребителей в сельской местности (индивидуальные дома, коттеджи, фермерские хозяйства и др.).

ТНУ не имеют конкуренции при дополнительном строительстве в центре городов, где существующие системы теплоснабжения перегружены, строительство дополнительных котельных недопустимо, а использование электричества для отопления слишком расточительно.

Можно ожидать, что потребность в ТНУ различной мощности в ближайшее время будет нарастать и достигнет нескольких десятков тысяч.
Приведем несколько примеров использования ТНУ, разработанных фирмой "ЭКИП", для локальных потребителей в Москве.

1. Здание пожарной части. Было необходимо модернизировать систему отопления производственных и жилых помещений площадью 300 м^2. Ранее для отопления использовалась котельная, потребляющая 15000 кг угля в год. Если принять теплотворную способность угля QНР - 33500 кДж/кг и КПД котельной 0,8-0,85, то средняя потребляемая за год тепловая мощность составит около 16 кВт.

В 150 м от помещения пожарной части протекает река, средняя годовая температура воды в которой -10 °С. Было предложено использовать вместо котельной тепловой насос (ТН) парокомпрессионного типа. Принципиальная схема ТН показана на рис. 1, а рабочий процесс в p-i-диаграмме - на рис. 2. Рабочим веществом в цикле ТН выбран широко используемый в холодильной технике дешевый теплоноситель R22. Испарение R22 происходит на участке 6 - 1 (рис. 2) за счет использования низкопотенциального тепла речной воды, а тепло охлаждения нагретого при сжатии в компрессоре R22 (2 -3), его конденсации (3 - 4) и переохлаждения (4-5) отдается в систему водяного отопления помещения (tB1 = 35 °С, tB2= 70 °С).

При выбранных для этого варианта термодинамических параметрах схемы (см. рис. 1) требуемая тепловая мощность обеспечивается потреблением из сети электрической мощности для привода компрессора N^кэл = 4,86 кВт. Таким образом, коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую составляет µ=16кВт/4,86 кВт= 3,29.

Дальнейшее повышение экономичности ТНУ возможно при переходе от водяного отопления с высоким уровнем верхней температуры (70-90 °С) к отоплению нагретым воздухом, температура которого 28-30 °С [2]. При этом существенно повышается эффективность ТНУ ( µ—>5,4), а требуемая электрическая мощность снижается до 2,96 кВт (см. рис. 2, цикл 1-2"-3"-5"- 6"-1).

Если считать, используя данные работы [3], что капитальные вложения в ТНУ составляют примерно 200 $ за 1 кВт тепловой мощности, стоимость электроэнергии для потребителя примерно 0,05 $ за 1 кВт ч, стоимость твердого топлива - около 50 $ на 1 т условного топлива (у.т.), штрафы за загрязнение окружающей среды при сжигании твердого топлива 150 $ за 1 т у.т., то срок окупаемости ТНУ составит менее года. Кроме того, новая система отопления (нагретым воздухом) повышает комфортность отапливаемых помещений за счет возможности более тонкой регулировки параметров микроклимата, уменьшает затраты на эксплуатацию ТНУ, требующую только периодического осмотра, в то время как функционирование котельной обеспечивается постоянным присутствием персонала.

2. Плавательный бассейн. Для кондиционирования и отопления помещений плавательного бассейна в настоящее время используется воздух, нагреваемый до 28-30 °С в водяном калорифере. Потребление нагретого воздуха достигает 50 000 м^3/ч, что соответствует потреблению (в зимних условиях) до 1000 кВт тепловой мощности. В то же время из душевых помещений бассейна бесполезно сливается в канализацию до 150 м^3 в сутки воды, температура которой достигает 30-40 °С.
Для таких условий можно применять ТНУ, использующую сбросное тепло из душевых для подготовки воздуха к кондиционированию и отоплению помещений бассейна.
Принципиальная схема ТНУ показана на рис. 3. В качестве рабочего вещества используется теплоноситель R22. Согласно расчетным оценкам тепловой схемы тепловая мощность воды, сливаемой из душевых, составляет 218 кВт, что позволяет при выбранных параметрах схемы обеспечить испарение 1,2 кг/с R22 и получить до 260 кВт тепловой мощности для нагрева воздуха, затратив для привода компрессора лишь 42 кВт электрической (или механической) мощности. Однако эта тепловая мощность обеспечивает подогрев воздуха по схеме 1 (см. рис. 3) лишь при понижении температуры окружающей среды до tо.с. = + 14 °С. При более низкой температуре наружного воздуха сбросного тепла душевых оказывается недостаточно для обеспечения отопления помещений. Недостающую тепловую мощность предлагается получить за счет рециркуляции нагретого воздуха (после его очистки и осушки), выходящего из помещений бассейна, и подмешивания его к наружному воздуху на входе в теплообменник ТНУ (схема 2, см. рис. 3). По такой схеме функционирование ТНУ обеспечивается во всем диапазоне изменяющихся климатических условий. При этом электрическая мощность привода компрессора ТНУ составит 43,2 кВт, а коэффициент преобразования µ электрической мощности в тепловую достигнет 6,1!

Технико-экономическая оценка применения ТНУ показывает [3], что ожидаемый срок окупаемости не превысит 2,5 лет. При инвестициях в установку ТН в размере 53000 $ использование новой технологии теплоснабжения позволит сократить расходы на теплоснабжение с 60000 до 30000 $ в год и получить через 2,5 года существенную дополнительную прибыль.

3. Теплоснабжение коттеджей. Если при проектировании системы теплоснабжения отдельных коттеджей руководствоваться общепринятой в централизованных тепловых сетях зависимостью температуры прямой (tпр) и обратной (tоб) сетевой воды от изменения температуры окружающей среды, то использование ТН будет малоэффективным (низкое значение коэффициента преобразования µ= 2?2,3) из-за большой разницы верхней и нижней температур цикла [2]. Кроме того, из-за отдаленности ИНТ (канализационного коллектора) от места расположения ТН будут существенными потери в трубопроводах и капитальные затраты на строительство. Поэтому предлагается использовать схему двухкон-турных ТН.

Идея схемы (рис. 4) сводится к тому, что на некоторое число коттеджей (например 10) устанавливается ТН первого контура, отбирающий тепло от канализационных стоков. Среднепотенциальное тепло верхней части первого контура используется ТН второго контура, расположенными индивидуально в коттеджах, для трансформации его в высокотемпературное тепло системы отопления. При такой (двухконтурной) системе ТН второго контура расположен непосредственно у потребителя тепла (в подвале или на чердаке коттеджа, в гараже и т.п.). Поэтому, очевидно, отпадает необходимость в подогреве прямой сетевой воды до 100-135 °С, следовательно, можно снизить верхнюю температуру во втором контуре цикла ТН до 70 °С (рис. 5), что повысит коэффициент µ до 3,23. При этом требуемая электрическая мощность для одного теплового узла составит 46,5 кВт, а для всех 500 коттеджей -2325 кВт.

Дальнейшее повышение коэффициента преобразования µ может быть осуществлено использованием более прогрессивных способов передачи тепла в помещении [2]. Так, если использовать отопление с интенсивными теплообменниками, то уровень температур в верхней части цикла ТН может быть снижен до 50-65 °С (рис. 6). При этом потребляемая мощность снижается до 40,1 кВт, а коэффициент возрастает до 3,74. Заметим, что во всех численных расчетах схем ТН КПД компрессора принималось равным 0,7. Если же в данном варианте схемы удастся повысить КПД компрессора от 0,7 до 0,9, то потребляемая мощность снизится до 32,7 кВт, а коэффициент µ повысится до 4,58.

Наиболее перспективно и экономично [2] использовать в комплексе с ТН низкотемпературные системы отопления (обогреваемые полы, отопление нагретым воздухом и т.п.). Тогда температура конденсации в верхнем цикле может быть понижена до 40 °С и даже при КПД компрессора 0,7 удается снизить потребляемую электрическую мощность до 35,4 кВт, а коэффициент µ увеличить до 4,24.

Как показывает расчетный анализ, при разнице верхней и нижней температур в цикле менее 70°С двухконтурный цикл начинает уступать одноконтурному по экономичности из-за увеличенной суммарной работы компрессоров. Однако использование одноконтурных схем в данном случае (распределенные мелкие потребители при отдаленном от них источнике низкопотенциального тепла) менее экономично из-за больших потерь в протяженных трубных системах.

Электрическую энергию для привода компрессоров ТН предполагается получить, установив на газораспределительной станции ГРС микрорайона "Косино" (Москва) турбодетандерную установку, утилизирующую теряемую на дросселирующих органах ГРС потенциальную энергию давления природного газа и превращающую ее в электрическую и механическую энергию.

Принципиальная схема турбодетандерной установки показана на рис. 7. Природный газ с давлением на входе P^ВХг = 2МПа и температурой tВХг=2°С направляется по байпасной линии в обход дросселирующих органов ГРС к турбодетандерной установке. Для того, чтобы на выходе из нее природный газ, поступая к потребителям, имел температуру не ниже +2 °С, что регламентируется правилами эксплуатации газовых сетей, необходимо перед расширением его в турбодетандере подогреть. В данной установке подогрев газа осуществляется в теплообменниках Т01 и Т02 с помощью ТН, компрессор К которого приводится в действие одним из двух турбодетандеров (Т1), а низкопотенциальное тепло отбирается от сточных вод в теплообменнике (ТОЗ).

Двухступенчатое расширение в турбодетандерах и двухступенчатый подогрев газа в теплообменниках ТО1 и Т02 осуществлены в связи с большим отношением давлений на данной ГРС ( РВХг/РВЫХг = 7 ? 20 ) и необходимостью предварительного нагрева газа (при одноступенчатом расширении в турбодетандере) до 100-150 °С, что существенно снизило бы эффективность ТН и привело бы к большим затратам мощности на привод компрессора.

Расчеты показывают, что при работе ТН на R22 при выбранных параметрах цикла удается осуществить подогрев в Т01 и Т02 заданного расхода природного газа (GГ = 14 кг/с) до температуры +52 °С, что обеспечивает при КПД турбодетандера, равном 0,8, температуру газа за ним +2 °С. При этом на подогрев газа расходуется 3360 кВт тепла, получаемого от теплового насоса, на привод компрессора которого затрачивается всего 760 кВт механической энергии (µ = 4,42) из 3300 кВт, вырабатываемых турбодетандерами Т1 и Т2.
Таким образом, оставшиеся 2540 кВт механической мощности турбодетандеров могут быть использованы: для получения электрической мощности в электрогенераторах Г1 и Г2 для получения дополнительной тепловой мощности (в индивидуальных ТН в домах или в централизованном мощном ТН на ГРС) порядка 11200 кВт (для снабжения теплом 150 тыс. м:3 коттеджей требуется всего 7500 кВт тепловой мощности); для организации производства холода в необходимых количествах на турбодетандерной установке ГРС.
Данный анализ показывает, что возможно осуществление полного теплоэнергоснабжения территории только за счет использования нетрадиционных источников энергии (тепловых отходов, потенциальной энергии сжатого природного газа и т.п.) с применением ТН, без дополнительного загрязнения окружающей среды.
Список литературы
1. Процент В.П. Альтернативная концепция теплоснабжения городов//
Энергосбережение и водоподготовка. 1997. № 2. С. 86-91.
2. Калишь И.М. Техника низких температур на службе энергетики.
3. Васильев Г.П. Теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) для потребителей тепловой энергии в сельской местности//Теплоэнергетика. 1997. № 4. С. 24-27.

Источник: ekip-tnu.ru