Принцип действия и теоретические основы энергосбережения при применении тепловых насосов

Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее передать теплоту от более холодного тела к более нагретому за счет использования дополнительной энергии (чаще всего - механической). Применение тепловых насосов - один из путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов. Распоряжением от 20.05.2009 № 609-р «Вопрос установки тепловых насосов» Кабинет Министров Украины определил перечень проектных предложений относительно первоочередной установки тепловых насосов, что позволит на конкретных объектах проверить целесообразность и рациональные пределы использования тепловых насосов в разных климатических условиях, а также будет содействовать их использованию в строительстве.  

Известно, что теплота низкого потенциала является продуктом деятельности человека, причем, чем ниже ее температурный уровень, тем больше этой теплоты безвозвратно теряется, рассеиваясь в окружающей среде. Примером носителей такой теплоты может служить нагретый воздух, уходящий в атмосферу из систем вентиляции и кондиционирования, или теплые бытовые и промышленные сточные воды, имеющие температуру примерно 20÷40 ⁰С. Очень часто единственным экономически оправданным способом утилизации теплоты таких вторичных энергетических ресурсов является применение тепловых насосов. Тепловые насосы могут использовать не только теплоту, выработанную в различных технических устройствах, но и теплоту природных источников - воздуха, воды естественных водоемов, грунта.

Главное применение тепловых насосов в настоящее время - нагрев теплоносителя для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. Однако их можно использовать и для технологических целей.

Тепловые насосы различаются, прежде всего, способом который применяется для преобразования теплоты. Поскольку тепловые насосы и холодильные установки имеют одинаковый принцип действия, то типы тепловых насосов совпадают с типами холодильных установок. Применяют парокомпрессионные, газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные, термоэлектрические тепловые насосы.

Другой важный вид классификации тепловых насосов - тип источника энергии, который используется для преобразования теплоты. Это может быть электродвигатель, газовая турбина, двигатели внутреннего сгорания, механическая энергия струи пара и т.д. Часто тепловые насосы разделяют по виду рабочего агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.) и типу теплоносителей, отдающих и воспринимающих теплоту (воздух-воздух, вода - воздух, вода-вода и т.д.).

Наибольшее распространение в настоящее время получили парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве рабочего агента один из фреонов или их смесь. Их так много, что в литературе, если нет специальных оговорок, под словом «тепловой насос» чаще всего имеют в виду именно парокомпрессионный тепловой насос.

Также как и холодильные машины, тепловые насосы относят к трансформаторам тепла. Принципиального различия в работе и в конструкции между ними не существует. Различается лишь назначение и температурный уровень получаемой теплоты. Цель холодильной машины - получение теплоты с температурой ниже уровня температуры окружающей среды, т.е. производство холода. Холод в парокомпрессионной холодильной установке получается в виде охлажденного теплоносителя (рассолы, антифризы, воздух, вода), выходящего из испарителя. Цель теплового насоса - получение теплоты, которая в случае парокомпрессионного теплового насоса получается в виде нагретого теплоносителя (воды, воздуха), выходящего из конденсатора.

Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса может быть проиллюстрирован при помощи рис. 1, на котором изображены его схема и термодинамический цикл в диаграмме T-s («температура-энтропия»). Тепловой насос действует за счет подведенной к компрессору механической работы. Привод компрессора может осуществляться от электрического или теплового двигателя. В компрессоре (процесс 1-2) повышается давление рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии от давления P₁ до давления P₂. Затем в конденсаторе (процесс 2-3) при постоянном давлении происходит конденсация рабочего вещества. Получаемое при конденсации тепло передается потребителю при температуре T₂, например, нагревая воду, направляемую в систему отопления. В дросселе происходит расширение рабочего вещества до давления P₁ с его частичным испарением (процесс 3-4). Далее, рабочее вещество полностью превращается в пар при температуре T₁ в испарителе, где отбирается теплота от ее источника, например от нагретого вентиляционного воздуха или продуктов сгорания.

Рис.1 - Схема парокомпрессионного теплового насоса и его цикл в T-s - диаграмме:

I - испаритель; II - компрессор; III - конденсатор; IV - дроссель

Основными характеристиками теплового насоса являются: коэффициент преобразования (трансформации) тепла, термодинамический КПД, удельная стоимость, т.е. стоимость, отнесенная к теплопроизводительности теплового насоса.

Коэффициент преобразования тепла представляет собой отношение получаемой тепловой мощности к затрачиваемой мощности на привод компрессора. Он выше единицы, и существенно зависит от температуры холодного источника теплоты T₁ и температуры получаемого горячего теплоносителя T₂. В результате работы теплового насоса мы можем получить примерно в 2÷8 раз больше теплоты, чем в случае непосредственного подогрева теплоносителя в электрокалорифере:

Для людей, не знакомых с работой тепловых насосов, это обстоятельство кажется нарушением первого закона термодинамики. На самом деле - это не так. В данном случае мы лишь трансформируем теплоту более низкого потенциала в теплоту более высокого потенциала - т.е. другого температурного уровня. Коэффициент преобразования тепла не является коэффициентом полезного действия теплонасосной установки. Известно, что качество вида энергии зависит от его способности превращаться в другой вид энергии. Если механическая работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается в механическую работу. Степень превращения теплоты в работу характеризуется работоспособностью или эксергией потока теплоты и существенно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.

Удельная стоимость тепловых насосов, представленных в Украине для мощностей от 1 до 350 кВт, составляет от 200 до 1000 долларов за киловатт установленной тепловой мощности (включая монтаж). Следует ожидать, что с расширением использования тепловых насосов их удельная стоимость будет снижаться.

Характеристики теплового насоса во многом зависят от применяемого рабочего вещества. В этом качестве чаще всего применяются различные фреоны (хладоны) - галогенопроизводные предельных углеводородов. Используются такие фреоны, как R134a, R-407C, а также озонобезопасный фреон R-142B. Применение фреона R-22 разрешено Монреальской конвенцией лишь до 2005 года. Характеристики фреонов во многом определяют коэффициент преобразования тепла и, следовательно, экономичность теплового насоса.

В промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве как источник теплоты для работы тепловых насосов могут быть использованы следующие виды тепловых вторичных энергетических ресурсов:

• теплота охлаждающей воды паровых турбин тепловых и атомных электростанций, промышленных печей, компрессорных установок, аппаратов химической технологии. Часто эта вода используется повторно и направляется на охлаждение в градирни и аппараты воздушного охлаждения (АВО);
• теплота сточных вод различных промышленных предприятий и предприятий жилищно-коммунального хозяйства (бани, прачечные, бассейны);
• теплота продуктов сгорания в котельных установках и промышленных печах, а также печах по сжиганию твердых и жидких отходов;
• теплота продуктов сгорания в газотурбинных установках и дизельных двигателях;
• теплота водяных паров низкого давления, выбрасываемых в атмосферу (выпар);
• теплота отработанного сушильного агента в сушильных установках;
• теплота горячих растворов в выпарных и ректификационных установках;
• теплота масла, используемого в турбинах электростанций и в электрических трансформаторах;
• теплота воздуха, уходящего из систем вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, общественных и промышленных зданий;
• теплота вытяжного воздуха станций метрополитена и воздуха каналов метро.

Для работы тепловых насосов могут быть использованы также следующие природные источники теплоты:

• теплота наружного воздуха (при положительных температурах и даже до-10 ^оС);
• вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей);
• тепло геотермальных источников;
• теплота грунта, которую получают при помощи специальных трубчатых теплообменников;
• теплота подземных вод;
• тепло, получаемое в результате использования солнечной энергии.

Низкопотенциальную теплоту вторичных энергетических ресурсов можно использовать напрямую при помощи теплообменных аппаратов, например, для подогрева приточного вентиляционного воздуха, предварительного подогрева воздуха, направляемого в топочные устройства, подогрева сушильного агента в установках для сушки материалов и т.д., однако далеко не всегда это осуществимо на практике.

На рис. 2  представлено использование теплового насоса для утилизации тепла вентиляционных выбросов промышленного предприятия. Наличие вредных веществ, паров жидкостей или твердых частиц в вентиляционных выбросах делают невозможным применение рециркуляции вытяжного воздуха. Использование теплового насоса в такой схеме позволяет отказаться от традиционного в таких случаях использования теплообменников-утилизаторов. Вырабатываемой насосом теплоты обычно оказывается достаточно для подогрева воды, обеспечивающей работу калориферов, нагревающих приточный воздух.

Рис. 2 - Применение теплового насоса для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции:

1, 2 - вентиляторы; 3 - подогреватель воздуха; 4 - тепловой насос; 5 - промышленное здание