Контрольные вопросы

1. Как можно извлечь низкопотенциальную теплоту Земли?

2. Какие Вы знаете виды систем для использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта?

3. Какие Вы знаете виды горизонтальных грунтовых теплообменников?

4. Каковы преимущества вертикальных грунтовых теплообменников?

5. Каковы сечения различных типов вертикальных грунтовых теплообменников?

6. Назовите преимущество геотермальных тепловых насосов.

7. Назовите проблемы, возникающие при эксплуатации горизонтальных, вертикальных грунтовых теплообменников

7. Тепловые насосы за рубежом

В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%. Тепловые насосы обладают целым рядом достоинств по сравнению с другими теплопреобразующими установками. Экономичностью, повсеместностью применения, экологичностью, универсальностью, безопасностью. Теплонасосные установки стали стремительно вытеснять другие способы теплоснабжения.

В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов разной мощности, в США эта цифра составляет 1 млн. тепловых насосов. В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой воды 8 ⁰С.

Сравнительный анализ объемов использования теплонасосной техники по некоторым странам представлен в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Доля тепловых насосов в теплоснабжении

Страна	Тепловые насосы	Другие источники
США	37%	63%
Швеция	50%	50%
Россия	0,1%	99,9%

Экономичность. Тепловой насос использует подведенную к нему энергию значительно эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина коэффициента преобразования теплоты у него много больше единицы. Например,  = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт электрической энергии, на выходе получается 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает «безвозмездно», поэтому, в среднем 60 - 75% потребностей теплоснабжения дома ТН обеспечивает за счет теплоты окружающей среды без дополнительной оплаты. Действительно, первоначальные удельные затраты на тепловой насос и монтаж системы сбора теплоты довольно ощутимы и составляют 300 - 1200 долл. США/кВт потребной мощности отопления. Но капиталовложения окупаются за 4 - 9 лет только за счет сберегаемого топлива и электричества.

При сложившемся уровне цен на энергоносители ТН по экономичности уступают пока только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических. Служат они по 15 - 20 лет до капремонта, в то время как газовое отопительное оборудование требует постоянной смены горелок с периодичностью в 3 - 5 лет. Так же, газовое отопительное оборудование требует постоянного обслуживания. В связи с ростом цен на все виды органического топлива, лидерство тепловых насосов обеспечено.

Повсеместность применения. Одними из наиболее распространенных естественных источников низкопотенциальной теплоты являются теплота грунта и окружающего воздуха. Эти источники везде, в том числе и в отдаленных районах, при отсутствии газовых магистралей и централизованных электросетей, позволяют бесперебойно обеспечивать теплоснабжение автономного потребителя, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Для привода компрессора в некоторых моделях используются дизельные или бензиновые электрогенераторы.

Экологичность. Тепловые насосы не только экономят финансовые средства, но и улучшает экологическую обстановку в местах размещения. Агрегат не сжигает топливо, следовательно, не образуются вредные окислы типа CO, СO₂, NO₂, SO₂ , PbO₂. Применяемые же в современных тепловых насосах хладагенты не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.

Универсальность. Тепловые насосы обладает свойством обратимости (реверсивности). В холодный период года они могут использоваться для теплоснабжения, а в теплый - для кондиционирования воздуха - хладоснабжения. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна.

Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Отсутствует процесс сжигания топлива. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей.

Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов.

Вышеуказанные преимущества теплонасосных установок, обусловили их широкое применение в развитых странах табл. 7.2.

Таблица 7.2. Установленная мощность тепловых насосов по данным на 2002 год /43/

№	Страна	Установленная мощность, МВт	Произведенная энергия, ТДж/год
1	США	4 800,0	12 000,0
2	Швеция	377,0	4 128,0
3	Канада	360,0	891,0
4	Германия	344,0	1149,0
5	Швейцария	300,0	1 962,0
6	Австрия	228,0	1094,0
7	Финляндия	80,5	484,0
8	Франция	48,0	255,0
9	Польша	26,2	108,3
10	Австралия	24,0	57,6
11	Литва	21,0	598,8
12	Болгария	13,3	162,0
13	Нидерланды	10,8	57,4
14	Чехия	8,0	38,2
15	Сербия	6,0	40,0
16	Норвегия	6,0	31,9
17	Исландия	4,0	20,0
18	Япония	3,9	64,0
19	Венгрия	3,8	20,2
20	Дания	3,0	20,8
21	Словения	2,6	46,8
22	Словакия	1,4	12,1
23	Россия	1,2	11,5
24	Италия	1,2	6,4
25	Великобритания	0,6	2,7
26	Турция	0,5	4,0
27	Греция	0,4	3,1
	Всего:	6 675,4	23 268,9

Затраты электрической энергии на теплонасосную установку в значительной мере зависят от температуры низкопотенциального источника рис.7.1.

Рис. 7.1. Затраты энергии в тепловом насосе на единицу

выработанного тепла

Структура действующего парка тепловых насосов по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность теплового насоса, по-видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100 кВт.

Тепловая мощность мирового парка тепловых насосов, по минимальной оценке, составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты - 1 млрд Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн т условного топлива.

Большинство выпускаемых в мире тепловых насосов представляют собой моноблочную конструкцию, работающую по схеме одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины. В качестве рабочего тела используются различные фреоны, не запрещенные к применению Монреальским протоколом: R-22, R-134a, R-142b и др. Они обеспечивают нагрев теплоносителя до 50 - 65 ⁰С.

Высокими темпами с начала 80-х годов идет внедрение ТНУ в Швеции, занимающей второе место в мировом рейтинге. В этой стране характерно использование крупных установок тепловой мощностью более 30 МВт. Источником низкопотенциальной теплоты служат в основном очищенные сточные воды, морская вода и сбросная вода промышленных предприятий. Среди этих теплонасосных установок наиболее крупные расположены в городах Мальме - 40 МВт, Упсала - 39 МВт и Эребру - 42 МВт.

Наиболее мощная 320 МВт Стокгольмская установка, использующая в качестве источника низкопотенциальной теплоты воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4 до 2 ⁰С. Себестоимость теплоты от этой установки на 20 % ниже себестоимости теплоты от котельных. Количество теплоты, вырабатываемой теплонасосными установками в Швеции, уже составляет около 50 % требуемого тепла.

В Германии в эксплуатации находятся сотни тысяч теплонасосных установок, которые используются в водяных, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. Преобладают тепловые насосы с электроприводом. Кроме того, применяют сотни теплонасосных установок большой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. Источниками теплоты служат воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и др. Крупные тепловые установки работают, как правило, в системах централизованного теплоснабжения. Построено несколько десятков абсорбционных тепловых насосов 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 пущенного в эксплуатацию теплового насоса выплачивается 300 марок. И это притом, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире.

В Швейцарии первые теплонасосные установки были построены еще в 30-х годах прошлого столетия. Сейчас в эксплуатации находятся десятки тысяч теплонасосных установок в основном небольшой тепловой мощности.

Построены крупные установки для работы в системах централизованного теплоснабжения. Самой крупной из них является установка в г. Лозанне тепловой мощностью 7,0 МВт с электроприводом. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается за три ближайших года увеличить втрое производство теплоты тепловыми насосами. Для реализации этой программы выделяются значительные дотации.

Типичный пример теплонасосной установки для комплекса плавательных бассейнов в Честере Англия. Два плавательных бассейна представляют часть большого закрытого спортивного центра и потребляют большую часть энергии, подаваемой в здание с расчетной тепловой нагрузкой 2 МВт. В комплекс поступает свежий воздух расходом 46 м³/с, из которых 21 м³/с подается в зал бассейна. Высокая кратность вентиляции минимизирует конденсацию в зале и прилегающих комнатах, а также уменьшает запах хлора, применяемого в целях стерилизации. Полная тепловая нагрузка 2 МВт складывается из нагрева воды в бассейне, горячей воды для душевых и отопления примыкающего служебного здания. Около 3/4 полного расхода тепла идет на вентиляцию, из них плавательный бассейн потребляет половину.

В данном случае наиболее экономичным является применение замкнутого контура с промежуточным теплоносителем в вентиляционных каналах совместно с теплонасосной системой. Сбросной воздух, проходя мимо части замкнутого контура, предварительно охлаждается, отдавая долю скрытого тепла, а затем ещё охлаждается на 4 ⁰С в испарителе теплового насоса. Свежий воздух сначала нагревается второй половиной замкнутого контура, а затем догревается в конденсаторе теплового насоса. В общем тепловом балансе замкнутый контур возвращает около 400 кВт, а тепловой насос - немного более 1 МВт, оставляя сравнительно малую часть тепловой нагрузки для покрытия с помощью традиционных источников.

Применение теплового насоса в плавательных бассейнах не ограничивается системами «воздух-воздух». Фирма Sulzer, имеющая большой опыт в применении тепловых насосов в плавательных бассейнах, комбинирует ряд тепловых насосов, каждый из которых имеет свое назначение. Типичным примером может служить установка в Линденберге это закрытый бассейн с водной поверхностью 315,5 м² имеет температуру воздуха 30 - 32 ⁰С и температуру воды на 2 ⁰С ниже.