1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Принцип действия теплового насоса известен уже более 100 лет. Впервые в Европе мощный тепловой насос для отопления здания был применен в Цюрихе в 1938 г. [1.1]. Испытания теплового насоса проводились в 50-е годы в Высшем техническом училище, г. Дрезден [1.2]. В ГДР первые тепловые насосы выполнены по системе воздух–воздух. Они были испытаны в начале 70-х годов в Институте воздушной и холодильной техники, г. Дрезден, в качестве комнатных агрегатов и в Институте энергоснабжения в качестве тепловых насосов с несколькими конденсаторами для непосредственного отопления жилых помещений, т. е. по расчлененной схеме. После завершения экспериментальной разработки комплексной системы использования энергии в Институте воздушной и холодильной техники, г. Дрезден, в 1978–1979 гг. в ГДР началось широкое применение тепловых насосов.

Рис. 1.1. Теплонасосный цикл (холодильная машина:

используется ; тепловой насос: используется )

1 — энергоноситель; 2 — приемник теплоты; 3 —

конденсатор; 4 — регулирующий вентиль; 5 —

компрессор; 6 — испаритель; 7 — источник теплоты

Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой [1.3]. Поскольку в соответствии со вторым основным законом термодинамики тепловая энергия без каких-либо внешних воздействий может переходить только с высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле. На рис. 1.1 в качестве примера приведена схема паровой холодильной машины, где рабочим веществом служит кипящая при низкой температуре жидкость, названная хладагентом, так как она уже в течение многих лет применяется в холодильных установках.

Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками теплоты. Они отдают тепловую энергию путем теплопередачи, конвекции и (или) излучения. Энергоносители, воспринимающие в теплонасосном цикле тепловую энергию повышенного потенциала, называют приемниками тепла. Они воспринимают тепловую энергию путем теплопередачи, конвекции и (или) излучения. Энергоноситель, служащий источником теплоты, поступает в испаритель, где испаряется жидкий хладагент. Теплота испарения, необходимая для этого, отбирается от источника тепла, так как испарение хладагента происходит при низкой температуре.

В круговом цикле пары испарившегося хладагента всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается, что создает возможность отдачи тепловой энергии теплоприемнику.

Пары хладагента при повышенном давлении поступают в конденсатор, через который протекает энергоноситель, служащий приемником тепла.  Его температура ниже температуры паров хладагента при повышен-

Рис. 1.2. Схемы тепловых насосов (а — компрессионного, б — абсорбционного)

1 — механический компрессор; 2 — термический компрессор; 3 — привод

ном давлении. При конденсации пара выделяется тепловая энергия, воспринимаемая теплоприемником. Из конденсатора жидкий хладагент через регулирующий вентиль (дроссельный клапан) поступает обратно в испаритель, и круговой цикл замыкается. В регулирующем вентиле высокое давление, при котором находится хладагент на выходе из конденсатора, снижается до давления в испарителе. Одновременно снижается его температура.

Таким образом с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты с низкой температурой к приемнику теплоты с высокой температурой при подводе извне механической энергии для привода компрессора (приводной энергии). Как видно из рис. 1.1, схема холодильной машины и теплового насоса отличается только назначением.

К холодильным машинам относится оборудование, которое позволяет осуществить отбор тепловой энергии от тел с температурой ниже температуры окружающей среды (т. е. производство холода). Если требуется получить определенное количество теплоты с высокой температурой или одновременно и теплоты, и холода, такое оборудование относят к тепловым насосам [1.4].

Как показано на рис. 1.1, теплопроизводительность (тепловая мощность) теплового насоса складывается из двух составляющих: теплоты, полученной испарителем от источника теплоты (так называемой холодопроизводительности Q₀), и приводной мощности Р, с помощью которой полученная тепловая энергия поднимается на более высокий температурный уровень.

Отсюда в соответствии с [1.5], можно дать следующее определение тепловым насосам:

«Тепловой насос представляет собой устройство, воспринимающее тепловой поток при низкой температуре (на холодной стороне), а также необходимую для привода энергию и использующее оба потока энергии при повышенной (по сравнению с холодной стороной) температуре в виде теплового потока».

Это определение действительно для компрессионных тепловых насосов, а также для абсорбционных и термоэлектрических насосов, использующих эффект Пельтье (рис. 1.2).

В абсорбционном тепловом насосе механический компрессор заменен термическим в виде дополнительного циркуляционного контура раствора с генератором (кипятильником) и абсорбером. Вместо электрической приводной энергии, подводимой к компрессионным тепловым насосам с электроприводом, к генератору подводят тепловую энергию. Однако для обоих процессов используются с помощью испарителя источники энергии в виде отработанной теплоты или энергии окружающей среды.

Обычно в процессе преобразования энергии энергия окружающей среды является конечным этапом процесса. Энергия, выделяемая при сжигании твердого топлива или в ядерных реакторах, проходит большое число преобразований, пока принимает необходимую для потребителя форму, полностью используется и, наконец, практически всегда переходит в энергию окружающей среды.

Тепловые насосы требуют совершенно иного теоретического подхода. Здесь в начале процесса в качестве источника теплоты наряду с приводной энергией используется также и энергия окружающей среды.

1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Энергетическую эффективность компрессионного теплового насоса оценивают с помощью коэффициента преобразования ε, который представляет собой отношение теплопроизводительности  к потребляемой мощности P_el:

                                                                                          (1.1)

Эффективность абсорбционного теплового насоса также оценивается с помощью коэффициента преобразования, но в этом случае коэффициент преобразования (коэффициент теплоиспользования) выражается частным от деления теплопроизводительности на термическую приводную мощность Q_G, причем теплопроизводительность складывается из тепловой мощности конденсатора  и теплового потока , выделяющегося при абсорбции:

                                                                                (1.2)

Компрессионные и абсорбционные тепловые насосы работают на различных источниках энергии, поэтому энергетическое сравнение коэффициента преобразования с коэффициентом теплоиспользования возможно только с учетом коэффициента полезного действия устройств для получения энергии. Базой для сравнения служит первичная энергия, необходимая для осуществления рассматриваемых процессов. К первичным энергоносителям относят энергоносители, получаемые в установках, работающих на твердом или ядерном топливе, и не подверженные никаким энергетическим преобразованиям.

Под первичной энергией понимается энергия первичных энергоносителей. Коэффициент использования первичной энергии находят как отношение полезной энергии к подведенной первичной энергии. Полезной является энергия, которая поступает в распоряжение потребителя после последнего технического преобразования и используется для технологических нужд.

С учетом приведенных определений коэффициент использования первичной энергии может быть найден следующим образом.

Для компрессионных тепловых насосов с электрическим приводом

ζр.к = εη_К,                                                                                   (1.3)

для абсорбционных тепловых насосов

ζ_Р.А = ζ_А η_НК.                                                                                 (1.4)

Коэффициенты использования первичной энергии компрессионного теплового насоса ζр.к и абсорбционного теплового насоса ζ_Р.А примерно равны ζ_А ≈ 0,9, если коэффициент преобразования ε = 3, коэффициент полезного действия электростанции η_К = 0,3, коэффициент теплоиспользования ζ_А = 1,4 и коэффициент полезного действия отопительного котла η_НК = 0,65.

Представляет интерес рассмотреть требуемое значение коэффициента преобразования для достижения общей экономии первичной энергии. Оно зависит от того, какой тип обычной системы отопления сравнивается с тепловым насосом.

Годовой расход первичной энергии при эксплуатации отопительной системы

E_рr = Q_н / ζ_Pi ,                                                                                 (1.5)

где Q_H — годовая потребность в тепловой энергии; ζ_Pi — коэффициент использования первичной энергии в различных системах отопления.

Как видно из рис. 1.3, годовой расход первичной энергии E_рr при определенном требуемом Q_H с ростом ζ_P снижается, а при постоянном ζ_P линейно возрастает с увеличением Q_H.

В целях экономии энергии необходимо применять системы отопления, обеспечивающие высокую степень использования первичной энергии. Коэффициенты использования, превышающие единицу, могут быть достигнуты только с помощью систем отопления с тепловыми насосами.

Годовая экономия первичной энергии DE_рr равна разности между расходом первичной энергии в отопительной системе E_рr1 и экономичной энергетической системе E_рr2.

DE_рr =  E_рr1 - E_рr2;  DE_рr =  (Q_H/ζ_P1) - (Q_H/ζ_P2);  DE_рr =  Q_H (1/ζ_P1 – 1/ζ_P2);

DE_рr/Q_H = 1/ζ_P1 - 1/ζ_P2; DE_рr/Q_H = (ζ_P2 - ζ_P1)/( ζ_P2  ζ_P1)                                                  (1.6)

Удельная годовая экономия первичной энергии отопительных систем с тепловыми насосами по сравнению с различными видами отопления, характеризуемыми коэффициентом ζ_P1, представлена на рис. 1.4 в зависимости от среднего коэффициента преобразования теплонасосной установки в течение отопительного периода ε_WPA и коэффициента ζ_P2. Здесь коэффициент использования первичной энергии теплонасосной установки

ζ_P2  = ε_WPA· η_К                                                                                     (1.7)

где η_К – коэффициент полезного действия конденсационной электростанции.

Для конденсационных электростанций, работающих на буром угле, коэффициент η_К с учетом потерь при транспортировке может быть принят равным 0,28.

Рис. 1.3. Годовой расход первичной энергии E_рr в зависимости от годовой потребности в тепловой энергии при различных коэффициентах использования первичной энергии ζ_P

Рис. 1.4. Удельная экономия первичной энергии DE_рr/Q_H отопительной системы с тепловым насосом по сравнению с отопительными системами с различной степенью использования первичной энергии ζ_P1 в зависимости от коэффициента преобразования ε и ζ_P2

На рис. 1.4 видно, что система отопления с тепловым насосом лучше всех других видов отопления но расходу первичной энергии при эксплуатации во всех случаях, когда коэффициент преобразования превышает минимальные значения. Максимальная удельная экономия первичной энергии достигается при переходе от прямого электрического отопления на теплонасосную установку. Из рис. 1.4 можно установить, что с увеличением коэффициента преобразования при ζ_P1 = const  прирост удельной экономии первичной энергии снижается. Для определения прироста берут производную от выражения, полученного по уравнениям (1.6) и (1.7):

                                                            (1.8)

Результаты расчета представлены на рис. 1.5. Все кривые с ζ_P1 > 0 имеют такой же прирост.

В табл. 1.1 приведены минимальные значения коэффициентов преобразования тепловых насосов, требуемые при замене некоторых традиционных типов отопления.

Каково же соотношение коэффициентов преобразования существующих установок с минимальными значениями, приведенными в табл. 1.1?

Из уравнения (1.1) с учетом коэффициента преобразования кругового цикла Карно ε_с можно получить:

ε = ν ε_с                                                                                     (1.9)

и

ε = νT₁ / (T₁ – T₀)_,                                                                           (1.10)

где ν – степень термодинамического совершенства реального процесса.

Исходя из уравнения (1.10) на рис. 1.6 представлены коэффициенты преобразования цикла Карно и реальных циклов действующих теплонасосных установок в зависимости от разности DT между температурой конденсации и температурой кипения [1.6]. На рис. 1.6 видно, что коэффициенты преобразования действующих теплонасосных установок превышают минимальные значения, представленные в табл. 1.1.

Возникает  вопрос,  не превышает  ли  дополнительный расход первичной энергии на изготовление  и  монтаж

Таблица 1.1. Минимальные значения коэффициентов преобразования

тепловых насосов при замене некоторых традиционных типов отопления

системы отопления с тепловым насосом ожидаемой экономии энергии по сравнению с другими типами отопления. С учетом такой постановки вопроса целесообразно характеризовать экономию энергии сроком окупаемости первичной энергии. Под сроком окупаемости первичной энергии r_Еpr понимается число лет, в течение которых суммарная экономия первичной энергии при эксплуатации новой смонтированной установки по сравнению с эталонной системой достигнет размеров, достаточных для покрытия дополнительного расхода на ее изготовление и монтаж:

r_Еpr = DE_{Pr, I} / DE_{Pr, N},                                                                        (1.11)

где DE_{Pr, I} — затраты первичной энергии на дополнительные капиталовложения; DE_{Pr, N} — экономия первичной энергии при эксплуатации в течение года.

Расход первичной энергии на отопительную систему складывается из затрат первичной энергии DE_{pr, IGM} на производство основных материалов и расхода первичной энергии E_{Pr, IV} на переработку основных материалов в изделие:

                            (1.12)

где e_{Pr, GM} — удельный расход первичной энергии на производство основных материалов. МВт·ч/т; m_EPr — масса материалов, т; e_{Pr, V} — удельный расход первичной энергии на переработку основных материалов в изделие, МВт·ч/т; m_F — масса изделия, т.

Определить расход первичной энергии для расчета капиталовложений весьма сложно. Для упрощения расчета некоторые данные сведены в табл. 1.2. Эти значения взяты из зарубежных литературных источников [1.7, 1.8], которые, как показали расчеты, в основном пригодны для условий ГДР. Удельный расход первичной энергии e_{Pr, V}  для переработки исходных материалов в изделие, по данным одного из машиностроительных заводов ГДР, составляет 67,9 МВт·ч/т.

Таблица 1.2. Удельный расход первичной энергии при производстве различных

материалов

При неизвестной величине e_{Pr, ws} расход первичной энергии на производство продукции на установке рассчитывают по удельному расходу первичной энергии ε_{Pr, ws} в соответствующей отрасли:

E_{Pr, IB} = e_{Pr, WS}  k_{B, ges},                                                                (1.13)

где k_{B, ges} — удельная стоимость изделия, тыс. марок ГДР/т.

Расчеты, выполненные в машиностроительной промышленности, показали, что e_{Pr, ws} = 3,5 МВт·ч/тыс. марок ГДР. Приведенные данные позволили определить срок окупаемости первичной энергии для действующей установки с мощностью подогревателя 240 кВт.

С этой целью был вычислен народнохозяйственный расход первичной энергии ΣE_{Pr, I} в составе всех дополнительных затрат на тепловые насосы, питающие и фильтрационные скважины, укрытие тепловых насосов, трубопроводы и насосы силовой установки, систему рециркуляции, а также рекомендован переход от прямого электрического отопления к низкотемпературной отопительной системе. Он составляет 990 МВт·ч. При ε_WPA = 2,65 и Q_H = 270,76 МВт·ч экономия первичной энергии составляет DE_Pr = 600 МВт·ч/год, что соответствует годовой экономии 242,7 т бурого угля.

Теперь по уравнению (1.11) можно найти срок окупаемости первичной энергии r_Еpr = 900 МВт·ч/600 МВт·ч/год = 1,7 года. Он во много раз ниже нормативного срока службы теплонасосной установки. Уже через 1,7 года эксплуатации теплонасосной отопительной системы сэкономленная первичная энергия может использоваться в народнохозяйственных интересах.

Расчеты, выполненные для ряда теплонасосных установок, позволяют считать, что срок окупаемости первичной энергии всегда очень мал и, безусловно, ниже срока окупаемости капиталовложений.

В целом на основе энергетической оценки тепловых насосов с помощью коэффициентов преобразования и теплоиспользования можно рассчитать степень использования первичной энергии и, следовательно, дать энергетическую оценку с народнохозяйственных позиций, определить срок окупаемости первичной энергии и получить коэффициенты преобразования, безусловно превышающие минимальные значения.

Из рис. 1.6 видно, что с уменьшением разности температур DT коэффициент преобразования возрастает. Температура кипения зависит прежде всего от температуры источника теплоты Т_Q а температура конденсации определяется рабочей температурой Т_N, например температурой в подающей линии отопительной сети Т_H.

Таким образом, высокая энергетическая эффективность теплонасосных установок достигается при незначительной разности между температурой источника теплоты и рабочей температурой. Использование отходящей теплоты и в особенности энергии окружающей среды с помощью тепловых насосов не требует большого расхода приводной энергии при незначительной разности между рабочей температурой и температурой окружающей среды в интервале от 40 до 50 °С.