Главная | О компании | Контакты | Партнеры 
  Продукция |Сервис | Новости | Ссылки | Статьи

 

Энергосберегающие теплонасосные технологии

И.М. Калнинь

   

 

Combination of energy saving pumptechnologies and renewable energy sources application technologies has considered to be perspective.

Теплонаносные установки (ТНУ), осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2 - 2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива [1]. Применение ТНУ - это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов CO2(парникового газа) в атмосферу.
Наибольшее применение ТНУ получают для теплоснабжения, горячего водоснабжения жилых, административных и производственных зданий, обеспечения тепловой энергией нужного потенциала ряда технологических процессов (сушка, дистилляция, тепловая обработка); тепло- и холодоснабжения сельскохозяйственных объектов (молочно-товарных ферм, фруктохранилищ, зернохранилищ и др.).
ТНУ, использующие различные источники низкопотенциального тепла с температурой от 5 °С (атмосферный воздух) до 40 - 70 °С (высокотемпературные промышленные сбросы и геотермальные источники), способны обеспечить нагрев среды в диапазоне температур от 27 °С (вода для плавательных бассейнов) до 110 °С.
С учетом уже выявившихся технологических и экологических недостатков традиционной теплофикации [2], ТНУ предназначаются для перехода к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и населенных пунктах и с полным исключением применения электрокотельных, потребление энергии которых в 3 - 4 раза превышает потребление ее ТНУ.
Важнейшей особенностью ТНУ является универсальность по отношению к виду первичной энергии. Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.
Еще одно преимущество ТНУ - универсальность по уровню мощности, изменяющейся от долей до десятков тысяч киловатт и, по существу, перекрывающей мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.
Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), т.к. позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей.
Указанные преимущества применения ТНУ обусловили их широкое и все возрастающее применение в развитых странах и во всем мире. Ставится задача не о локальном или ограниченном применении теплонаносного теплоснабжения, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива.
Применение ТНУ вносит наибольший вклад в экономию невозобновляемых энергоресурсов с помощью технологий нетрадиционной энергетики. Для ее распространения в необходимых масштабах требуется государственное стимулирование, как производителя этой техники, так и ее пользователя. Такое стимулирование имеет место во всем мире.
Имеются успешно работающие ТНУ и в России. В последние годы наблюдается развитие отечественного производства ТН.
Россия располагает необходимым научным, инженерным и промышленным потенциалом для освоения и производства современных тепловых насосов всех типов.
Теплонаносная установка (ТНУ) состоит из собственно теплового насоса (ТН) и системы, обеспечивающей подвод и отвод из источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ), подачу нагретой в ТН среды потребителю и ее возврат к ТН. В ТНУ могут входить несколько ТН.
В испарителе ТН (рис.1) низкокипящее рабочее вещество кипит при низком давлении, отнимая теплоту у ИНТ, затем при подводе энергии извне (механической или тепловой) давление рабочего вещества повышается до уровня, позволяющего отдать теплоту конденсации нагреваемой среде источника высокопотенциальной теплоты (ИВТ). Давление сконденсированного рабочего вещества снижается в дросселе до давления кипения. Таким образом, реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий с подводом энергии извне, затрачиваемой на повышение давления парообразного рабочего вещества (обратный термодинамический цикл).
По существу тепловыми насосами является большинство широко распространенных холодильных машин, в том числе бытовых холодильников, так как они по тому же принципу отнимают теплоту от охлаждаемого объекта и при более высокой температуре отдают ее окружающей среде. Тепловые насосы в сравнении с холодильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочих температур. Это, однако, не мешает использовать в тепловых насосах и холодильных машинах одни и те же элементы (компрессоры, теплообменные аппараты и т.д.), а также одни и те же или родственные рабочие вещества (с температурой кипения от минус 40 °С до + 10 °С при атмосферном давлении).
Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с энергетикой.
Разнообразное исполнение тепловых насосов (ТН) классифицируется по ряду признаков (табл.1).
Коэффициент преобразования ТН (µ - отношение отдаваемой теплоты к затраченной энергии) зависит от разности требуемой температуры потребителя (Тивт) и температуры холодного источника (Тинт), термодинамических свойств рабочего вещества и особенностей термодинамического цикла ТН, технического совершенства конструкции теплового насоса. В первом приближении можно считать, что коэффициент m зависит только от разности температур (Тивт - Тинт). Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент µ.
Для сопоставления эффективности ТН и традиционных генераторов теплоты, например, котельных, а также сравнения ТН разных принципов действия, например, парокомпрессионного с приводом компрессора от электродвигателя и абсорбционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий - коэффициент использования первичной энергии К. Он определяется как отношение полезной теплоты ТН к теплотворной способности израсходованного топлива (обычно условного, 7,0 Гкал/тУТ).
Удачное сочетание параметров ИНТ и требуемых параметров теплоты у потребителя - важнейшее условие эффективного применения ТН. Сближение температур ИНТ и ИВТ достигается совершенствованием систем использования теплоты. Так, например, для современной системы напольного отопления достаточна температура 25…35 °С, тогда как для традиционной системы отопления ИВТ должен иметь температуру 70…100 °С .
Сопоставление альтернативных вариантов теплоснабжения по степени использования первичной энергии показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев (Кэл = 0,27…0,34), так как на тепловой электростанции при выработке энергии и ее транспортировке по сетям теряется около 70 % первичной энергии.
Теплоснабжение прямым сжиганием топлива в котельной приводит к потере около 20 % первичной энергии. Коэффициент использования первичной энергии примерно равен КПД котельной: К кт = 0,75…0,85.
При рациональном применении ТН обеспечивается экономия первичной энергии Ктн > 1.
Для ПТН с электроприводом коэффициент использования первичной энергии (Ктн) равен произведению коэффициента преобразования µ и коэффициента использования первичной энергии при выработке электроэнергии (Кэл). Вследствие низких значений последнего эффективность ТН уравнивается с котельной при mµ =~ 2,5 и поэтому разность температур (Тивт - Тинт), как правило, не должна превышать 60 °С.

Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) с приводом от теплового двигателя, например, газовой турбины или дизельного двигателя оказываются более экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе в составе ТН может быть утилизирована и направлена в общий поток нагреваемой ТН среды большая часть потерь, которые воспринимаются смазкой, охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность ТН обеспечивается при µ >= 2,0.
В ТН абсорбционного типа (АТН) вместо компрессора с механическим приводом используется система, которую называют "термокомпрессором". Их преимуществом является возможность использования тепловой энергии. Это может быть прямое сжигание топлива, а также различные сбросные потоки теплоты в виде горячей воды, отработанного пара и т.п. Эти машины имеют более низкий коэффициент преобразования (коэффициент трансформации) по сравнению с парокомпрессионными ТН. Однако использование топлива с КПД не ниже, чем у котельной, обеспечивает Ктн = 1,2…1,3. Представление об энергетической эффективности альтернативных вариантов теплоснабжения дает их сопоставление по степени использования первичной энергии (рис.2).
Особенно выгодно применение ТН при одновременной выработке тепла и холода, что может быть использовано в ряде промышленных и сельскохозяйственных производств, а также в системах кондиционирования воздуха.
Количество органического топлива, замещаемого тепловой энергией ТНУ, удобно рассчитывать через расход топлива при его сжигании с коэффициентом полезного действия, равном единице (0,1428 ТУТ/Гкал):
G = 0,1428Qтн(1/Кальт - 1/Ктн)
Здесь G - разность расходов топлива при выработке теплоты Qтн (Гкал) по традиционной технологии и с помощью ТНУ;
Кальт, Ктн - коэффициенты использования первичной энергии альтернативного способа и ТН.
Для укрупненных расчетов замещения топлива с помощью ТН целесообразно принять Кальт =~0,8 (примерное значение КПД котельных) и Ктн =~ 1,3 (средние значения коэффициента использования первичной энергии для ТНУ):
G = 0,072Qтн /тУТ/
При оценке экономической эффективности применения ТН в первую очередь должно быть оценено снижение затрат от достигаемой экономии топлива по сравнению с альтернативным способом теплоснабжения. Тип, исполнение, единичная тепловая мощность ТН, количественная потребность в них зависят от области применения и конкретных местных природных и экономических условий.
Основными областями применения ТНУ являются:
1. Жилищно-коммунальный сектор.
2. Промышленные предприятия.
3. Курортно-оздоровительные и спортивные комплексы.
4. Сельскохозяйственное производство.
В жилищно-коммунальном комплексе ТНУ находят наибольшее применение (и в мировой и в Российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Здесь можно выделить два направления:
- автономное теплоснабжение от ТНУ
- использование ТНУ в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения (СЦТ).
Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов ( в том числе школ, больниц и т.п.), городских районов, населенных пунктов используются преимущественно ПТН с тепловой мощностью 10…30 кВт в единице оборудования (коттеджи, отдельные дома) и до 5,0 МВт (для районов и населенных пунктов). В качестве ИНТ используют преимущественно грунтовые воды (Тинт = 8 - 15 °С), грунт (Тинт = 5 - 10 °С), водопроводную воду (Тинт = 9 - 20 °С), теплоту канализационных стоков (Тинт = 10 - 17 °С). Децентрализованное теплоснабжение позволяет применить современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя Тивт = 35…60 °С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования ТНУ µ= 3,5…5,0.
Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТНУ в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков СЦТ. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные котельные, работающие на газе (если пренебречь экологическими требованиями).
В настоящее время действует значительное число таких установок. А в перспективе количественная потребность в них будет наибольшая.
Особенностью теплоснабжения в России (в отличие от большинства стран мира) является использование централизованных систем теплоснабжения (СЦТ) в крупных городах.
Одновременная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ имеет бесспорные преимущества с точки зрения использования топлива. Многолетние развитее этого направления позволило достигнуть достаточно высокой эффективности, приобрести большой опыт в эксплуатации СЦТ. И хотя эти системы имеют ряд технологических и экологических недостатков, они реально существуют и подлежат совершенствованию. При совершенствовании СЦТ необходимо учитывать следующие факторы:
- огромные выбросы низкопотенциальной теплоты (НПТ), прежде всего системой охлаждения технической воды на ТЭЦ, увеличивающиеся в период снижения тепловой нагрузки в неотопительный период;
- резко увеличивающийся пережог топлива при выработке электроэнергии в условиях снижения тепловой нагрузки;
- большие затраты теплоты на нагрев сетевой воды, восполняющей ее потери в теплосетях;
- дефицит сетевой воды во многих районах города из-за ограниченной теплопропускной способности существующих сетей.

О масштабах этих факторов можно судить по статистическим данным выработки тепла для теплоснабжения городов. В последние годы отпуск теплоты на ТЭС РАО ЕЭС России составлял 600 - 650 млн Гкал, а на районных котельных (РК) около 50 млн Гкал в год. Выброс низкопотенциальной теплоты (НТП) в системах охлаждения технической воды (СОТВ) составлял 140 - 150 млн Гкал, что эквивалентно 24 - 26 млн тУТ непроизводительного расхода топлива. В системе АО "Мосэнерго" выбросы СОТВ на ТЭЦ Москвы составляют 45 - 50 млн Гкал в год, что равносильно потере 7,2 - 8 млн тУТ/год [3].
Применение ТН в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства. Технически возможна утилизация до 45% НТП (около 10% от количества отпускаемой теплоты). В системе РАО ЕЭС это эквивалентно замещению 10 млн. тУТ. При этом может быть достигнуто замещение органического топлива в больших объемах, чем при децентрализованном теплоснабжении.
Экономия (замещение) органического топлива с помощью ТН в конечном счете происходит за счет полезного вовлечения выбросов НПТ на ТЭЦ. Это сокращение НПТ достигается двумя способами:
- прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве ИНТ для ТН (в обход градирни);
- использованием в качестве ИНТ для ТН обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается.
Первый способ реализуется, когда ТН размещен вблизи ТЭЦ, второй - когда ТН используется вблизи потребителей теплоты.
В обоих случаях температурный уровень ИНТ достаточно высок, что создает предпосылки для работы ТН с высоким коэффициентом преобразования (µ).
Если механизм энергосбережения первого способа очевиден, то по второму необходимы пояснения.
Поток ОСВ возвращается на ТЭЦ, пройдя через испаритель ТН, захоложенный до температуры 20 - 25 °С (температура захоложенного ОСВ обосновывается с учетом особенностей СЦТ).
При не полностью загруженных теплофикационных отборах (при температуре наружного воздуха выше минус 15 °С) снижение температуры сетевой воды требует отбора пара из теплофикационных отборов на ее подогрев. Это автоматически увеличивает выработку электроэнергии при тепловом потреблении и загрузку теплофикационных отборов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода пара в конденсатор турбины и, тем самым к снижению тепловых выбросов на ТЭЦ и сокращению непроизводительного расхода топлива.
При существенной доле захоложенной ОСВ ее целесообразно направлять в конденсатор паровой турбины (в основной или в дополнительный встроенный теплообменный пучок). В этом случае конденсатор выполняет функции дополнительного подогревателя ОСВ и, таким образом, в нем происходит утилизация НПТ ТЭЦ [3].
Таким образом, использование схем теплоснабжения с применением ТН и с захолаживанием ОСВ дает следующие результаты:
- прирост электрической мощности (на 6…10 %) от установленной мощности теплофикационной турбины без затрат топлива на этот прирост;
- прирост тепловой мощности на величину утилизируемой теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды;
- снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных трубопроводах;
- возрастание отопительной нагрузки (на 15…20 %) при том же расходе первичной сетевой воды и снижение дефицита в сетевой воде на ЦТП в удаленных от ТЭЦ микрорайонах;
- появление резервного источника для покрытия пиковых тепловых нагрузок.

Для работы в системе СЦТ требуются крупные тепловые насосы с теплопроизводительностью от нескольких МВт (для установки на тепловых пунктах) до нескольких десятков МВт (для использования на ТЭЦ).
На промышленных предприятиях ТНУ находят применение для утилизации теплоты водооборотных систем, теплоты вентиляционных выбросов, теплоты сбросных вод (целюлозо-бумажные комбинаты). На предприятиях, имеющих котельные, теплота от ТН используется для подогрева подпиточной воды для котлов и собственных тепловых сетей.
До недавнего времени считалось, что применение ТНУ на предприятиях, снабжаемых теплом от ТЭЦ заведомо неэкономично. Сейчас эти оценки пересматриваются. Во-первых, с учетом возможности применения рассмотренных выше технологий, используемых в жилищно-коммунальном секторе при централизованном теплоснабжении. С другой стороны, реальные соотношения цен на электроэнергию, тепло ТЭЦ, топливо вынуждают некоторые предприятия переходить на собственные генераторы теплоты и даже электроэнергии. При таком подходе применение ТНУ наиболее эффективно. Особенно большую экономию топлива дают "мини-ТЭЦ", базирующиеся на дизельгенераторе (в том числе, работающем на природном газе), осуществляющем одновременно привод компрессора ТН. ТНУ, при этом, обеспечивает отопление и ГВС предприятия.
Перспективным для существующих предприятий является применение ТНУ в сочетании с использованием теплоты вентсбросов. Воздушное отопление характерно для многих промышленных предприятий. Установки утилизации теплоты вентсбросов позволяют предварительно нагреть поступающий в цех наружный воздух до + 8 °С. Температура сетевой воды, нагреваемой в ТНУ, требующаяся для нагрева отопительного воздуха не превышает 70 °С. При этих условиях ТНУ может работать при достаточно высоком коэффициенте преобразования.
Многие промышленные предприятия одновременно нуждаются в искусственном холоде. Так, на заводах искусственного волокна, в основных производственных цехах используется технологическое кондиционирование воздуха (поддержание температуры и влажности). В больших количествах используется холод в производстве искусственного каучука и других производствах. Комбинированные теплонаносные системы "тепловой насос - холодильная машина", одновременно вырабатывающие теплоту и холод, наиболее экономичны.
Из сказанного, очевидно, что для промышленных предприятий требуются тепловые насосы большой мощности от нескольких МВт до нескольких десятков МВт.
Среди курортно-оздоровительных и спортивных комплексов, прежде всего, выделим здравницы на морском побережье. В районах их расположения (Кавказ, Крым и др.) действуют повышенные требования к чистоте воздушного бассейна. Вместе с тем используются децентрализованные системы теплоснабжения с применением мелких котельных на органическом топливе (обычно на мазуте). Одним из потребителей теплоты являются плавательные бассейны. В современных условиях на таких объектах обязательным является летнее кондиционирование воздуха. Требованиям экологически чистого теплоснабжения и летнего кондиционирования воздуха в полной мере отвечают комбинированные теплонаносные системы ("Тепловой насос - холодильная машина"). В качестве источника низкопотенциальной теплоты для ТНУ используется морская вода, а также сбросная вода бассейнов. В летнее время морская же вода является приемником теплоты конденсации холодильной машины.
По аналогичной схеме работают комбинированные теплонаносные системы спортивных комплексов - спортивных залов, плавательных бассейнов, аквапарков. В качестве ИНТ, при отсутствии вблизи объекта водоема (моря, реки, озера), используется теплота подземных вод или грунта. 

Многие технологические процессы сельского хозяйства связаны с большим потреблением теплоты, которое в значительной степени удовлетворяется за счет электроэнергии. С другой стороны, сельское хозяйство располагает большими собственными вторичными тепловыми ресурсами, но из-за их низкого температурного уровня они используются недостаточно.
Применение тепловых насосов в технологических процессах сельского хозяйства позволяет использовать сбросную низкопотенциальную теплоту для теплоснабжения.
Существуют две основные области применения тепловых насосов: в линиях первичной обработки молока и для теплоснабжения стойловых помещений.
На молочных фермах существенную долю расхода энергоресурсов (до 50%) составляют затраты электроэнергии на привод компрессоров холодильных машин, предназначенных для охлаждения свежевыдоенного молока и на нагрев воды для санитарно-технологических нужд. Такое сочетание потребности в теплоте и холоде создает благоприятные условия для применения тепловых насосов.
С вентилируемым воздухом стойловых помещений отводится значительное количество теплоты, которое успешно может быть использовано в качестве низкопотенциального теплоисточника для малых тепловых насосов. Применение ТНУ на животноводческих фермах обеспечит одновременно кондиционирование воздуха в стойловых помещениях и теплоснабжение производственных помещений.
Имеющиеся возобновляемые источники низкопотенциальной теплоты как естественные, так и антропогенного происхождения по своим объемам, как правило, многократно превышают реальные возможности их утилизации с помощью теплонаносных технологий. Поэтому степень использования ИНТ не является показательным критерием состояния применения ТНУ.
Весьма показательным ориентиром для оценки применения ТНУ в России является зарубежный опыт их широкого применения. Он различен в разных странах и зависит от климатических и географических особенностей, уровня развития экономики, топливно-энергетического баланса, соотношения цен на основные виды топлива и электроэнергии, традиционно используемых систем теплоэнергоснабжения и др. При сходных условиях, с учетом состояния экономики России, зарубежный опыт следует рассматривать как реальный путь развития в некоторой перспективе.
Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.
Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт.
Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано, в первую очередь, на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах получили наибольшее распространение воздухо-воздушные реверсивные ТНУ, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе получили большее распространение водоводяные и водовоздушные ТНУ. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое распространение СЦТ привело к развитию крупных ТНУ. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются ТНУ с приводом от газового двигателя и АТН. Для Германии крайне важным является замена привозного топлива из нефти и снижение загрязнения окружающей среды. Поэтому широкое развитие получили ТНУ с электроприводом, а также от газовых дизельных двигателей.
Можно выделить США, ФРГ, Японию, Францию, Швецию, Германию, Данию и Швейцарию, в которых развитие ТНУ происходит особенно быстрыми темпами.
США в настоящее время эксплуатирует около 10 млн. ТНУ и из них 60% в ЖКС. Ежегодно вводится в эксплуатацию до 500 тыс. ТНУ. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные ТНУ с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. ТНУ выпускают более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают ТНУ.
Быстрыми темпами развиваются системы теплоснабжения жилых и общественных зданий с ТНУ "грунт-вода". Разработаны высокоэффективные технологии и технические средства отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов (за выброс CO2 при сжигании топлива) и поощрений за использование ИНТ в целях теплоснабжения.

Швеция с начала 80-х годов развитие ТНУ происходит очень интенсивно. Установлено более 200 тысяч ТНУ в основном с электроприводом, использующие различные источники теплоты. Для Швеции характерно использование крупных ТНУ тепловой мощностью около 30 МВт. В качестве низкопотенциальной теплоты используются, в основном, очищенные сточные воды, морская вода и сбросная вода промышленных предприятий. Среди этих ТНУ можно выделить такие крупные, как ТНУ в г.Мальме (40 МВт), г.Упсала (39 МВт), г.Эребру (42 МВт).
Наиболее крупной ТНУ является Стокгольмская установка мощностью 320 МВт, использующая в качестве ИНТ воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4 °С до 2 °С. Себестоимость тепла от этой установки на 20% ниже себестоимости тепла от котельных. Количество тепла, вырабатываемого теплонаносными установками в Швеции, уже составляет около 50% от потребного.
Япония, широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, единичной тепловой мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ с водяными источниками теплоты. Построено несколько десятков ТНУ с тепловыми насосами с приводом от дизельных и газовых двигателей. Ежегодно выпускается около 3 млн. ТНУ (с учетом комнатных кондиционеров).
Германия, в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В основном используются ТН с электроприводом. Кроме того, используются сотни ТНУ большой тепловой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д. Крупные ТНУ работают, как правило, в СЦТ. Построено несколько десятков АТН единичной тепловой мощностью до 4 МВт.
В настоящее время в Германии выделяется самая крупная среди развитых стран государственная дотация из бюджета: за 1 кВт тепловой мощности, запущенного в эксплуатацию ТН, выплачивается 300 марок. И это при том, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире.
Дания. Эксплуатируется более 40 тысяч ТНУ. Источниками теплоты служат грунт, вода и воздух. Используются крупные ТНУ тепловой мощностью до нескольких МВт. ТНУ имеют привод от газовых и дизельных двигателей и около 40% используются в СЦТ.
В Дании широко распространены установки для комбинированного производства тепла и холода на молочных фермах.
Швейцария. Она является одной из стран, в которых первые ТНУ были построены еще в 30-х годах. Сейчас в эксплуатации находится около 40 тысяч ТНУ, в основном небольшой тепловой мощности. Построены крупные ТНУ для работы в СЦТ. Самой крупной из них является ТНУ в г. Лозанне тепловой мощностью 7 МВт с электроприводом. Строятся около десяти ТНУ с приводом от ДВС. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается увеличить за три ближайших года производство тепла тепловыми насосами до 2250 ГВтЧч, т.е. втрое выше существующего уровня. В реализации этой программы выделяются значительные дотации.
Структура действующего парка ТН по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность ТН, по видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100,0 кВт.
Тепловая мощность мирового парка ТН по минимальной оценке составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты 1,0 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. тУТ. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения ТН.
Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран. Между тем, с учетом более жестких климатических условий и более продолжительного отопительного периода экономическая эффективность от применения ТН будет намного выше, чем в странах Европы, США и Канаде. 

В 1986 - 1989 годах в бывшем СССР ВНИИ холодмашем был разработан ряд паро-компрессионных ТН теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт двенадцати типоразмеров типа "вода-вода" (в том числе морская вода в качестве ИНТ для ТН теплопроизводительностью 300…1000 кВт), "вода-воздух" (ТН на 45 и 65 кВт). Большая часть ТН этого ряда прошла стадию изготовления и испытания опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (ТН теплопроизводительностью 14, 100, 300, 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 года по, примерно, 1992 год может быть оценен в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих ТН, с учетом возможного выбытия оборудования, оценивается в 30 МВт.
В последние годы появились специализированные фирмы (в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах), проектирующие ТНУ и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введены в эксплуатацию ТН общей тепловой мощностью около 50 МВт. При средней продолжительности работы в году 5000 часов ныне действующий парк ТН вырабатывает около 350 тыс. Гкал/год.
В настоящее время по заданию Минтопэнерго РФ разрабатывается программа развития нетрадиционной энергетики России, в том числе ТНУ. Прогноз до 2005 года базируется на реальных проектах, которые будут осуществлены в этот период. Большинство из примерно 30 крупных проектов предусматривают использование ТНУ для жилищно-коммунального сектора, в том числе в системе централизованного теплоснабжения.
Ряд работ выполняется в рамках региональных программ энергосбережения и замены традиционных систем теплоснабжения на ТНУ: Новосибирская обл., Нижегородская обл., г.Норильск, г.Нюренгри (Якутия), г.Дивногорск (Красноярский край). Среднегодовой ввод тепловых мощностей составит около 100 МВт/год. Он обеспечен существующими мощностями машиностроительных заводов, выпускающих ТН и комплектующие изделия для них. Некоторые основные комплектующие изделия закупаются по импорту. Прежде всего, это компрессоры для ТН тепловой мощностью до 50 кВт. При этих условиях выработка теплоты всеми работающими ТН составит в 2005 году 2,2 млн. Гкал, а замещение органического топлива - 160 тыс. тУТ. Таким образом в России намечается определенный прорыв в распространении ТНУ.
Прогноз развития применения ТН на период 2010 и 2015 годов основывается на оценках производителями ТН потребности в тепловых насосах разной мощности и возможностей их производства. По этим оценкам к 2005 году должны быть расширены производственные мощности для выпуска ТН тепловой мощностью до 100 кВт в количестве до 10 000 единиц в год (суммарная тепловая мощность годового выпуска 300,0 МВт).
Для ТН большой тепловой мощности от 500 кВт до 40 МВт после 2005 года предполагается ежегодный ввод в среднем 280 МВт, а после 2010 года до 800 МВт в год. Это связано с тем, что планируется широкое применение ТН в системах централизованного теплоснабжения с целью максимально возможной утилизации сбрасываемой низкопотенциальной теплоты.
При таком развитии суммарная тепловая мощность годового выпуска ТН в 2015 году составит 1200 МВт. Ожидается, что в 2010 году действующий парк будет вырабатывать до 20 млн. Гкал тепла, а в 2015 году до 45 млн. Гкал. Теплота, вырабатываемая парком ТН, заместит в 2010 году 1,5 млн. ТУТ, а в 2015 году более 3,5 млн. тУТ.
Ниже приводится краткая аннотация наиболее крупного объекта, представленного ЗАО "Энергия" г. Новосибирск. В этом проекте наглядно раскрываются энергетические, экономические и экологические аспекты применения ТНУ.
Проект относится к теплоснабжению города Дивногорска Красноярского края, расположенного в непосредственной близости от Красноярской гидроэлектростанции (ГЭС) на реке Енисей. В настоящее время этот город с численностью населения около 40 тысяч 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 является первоочередной задачей администрации города. Круг возможных альтернативных решений весьма узок: теплонаносные установки с использованием в качестве низкопотенциального источника теплоты воды реки Енисей или угольные котельные, т.к. природным газом Красноярский край не располагает.

 Второй путь для г.Дивногорска неприемлем из-за того, что город и его окрестности - это зеленая зона отдыха г.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 приемлемым альтернативным решением является перевод г.Дивногорска на теплоснабжение от тепловых насосов.
Источником низкопотенциального тепла для тепловых насосов будет служить вода реки Енисей, температура которой колеблется от 1,5-2,0 °С зимой, 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 сильных туманов практически в течение всей зимы, что значительно ухудшило микроклимат в г.Красноярске.
При полном переводе г.Дивногорска на теплонаносное теплоснабжение речная вода будет охлаждаться на 1 °С, что обеспечит образование ледяного покрова на Енисее в районе г.Красноярска.
Реализация проекта позволит: снизить годовой расход электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение города на 400 000 МВтЧч и высвободить соответствующую мощность Красноярской ГЭС; получить экономию бюджетных средств города в 100 млн. рублей 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 теплонаносного теплоснабжения. Работа осуществляется в рамках губернаторской программы.
Ориентировочная стоимость всего проекта 400 млн. рублей.

Библиографический список
1. Калнинь И.М. Техника низких температур на службе энергетики. // Холодильное дело. - 1996. - №1.
2. Проценко В.П. Проблемы использования теплонаносных установок в системах централизованного теплоснабжения. // Энергетическое строительство. - 1994. - №2.
3. Чаховский В.М. Опыт применения энергосберегающей теплонаносной технологии в системе городского теплоснабжения. // РСЭ ИНФОРМ. - 1999. - № 2.

Статья взята с сайта с сайта компании Trans GAS industry



BackNext