3.7 Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами

Сегодня отопление и горячее водоснабжение (ГВС) городских объектов осуществляется, зачастую, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционных топливах. Автономные потребители (частные дома, дачные поселки), как правило, используют для отопления и горячего водоснабжения или жидкие углеводородные газы, или электроэнергию.

В то же время имеется большое количество различных источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, которые в сочетании с тепловыми насосами (ТН) могут составить конкуренцию традиционным топливам. Естественными источниками низкопотенциального тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт.

Рисунок 23. Схема получения тепла при помощи теплового насоса. Источник: [14].

Вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива, различные теплые сбросы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы, канализационные системы - это все то, что может выступать искусственным (вторичным) источником тепла. Их потенциал достаточно велик, но в каждом отдельном случае требует разработки оптимальных систем для его использования. [11]

США, Швеция, Канада и другие страны с климатом, как в России, уже давно отапливают административные здания и жилые помещения при помощи ТН. Практическое использование ТН в России на сегодняшний день не велико, общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России составляет порядка 100 МВт, а их количество не превышает 150 образцов. А в мире к настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов ошеломляют:

* В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы;

* В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности;

* В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов;

* В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов;

* В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой +8 °С. [11]

Используя ТН, мы можем преобразовывать тепло низкопотенциального источника в тепло с температурой, нужной потребителю. При этом ТН затрачивает относительно небольшое количество тепла на его привод. Отношение количества тепла, отданного потребителю, к энергии, затраченной на его привод, (коэффициент трансформации ТН) тем выше, чем выше температура источника низкопотенциального тепла. В современных системах этот коэффициент составляет 3 и более.

Наибольший интерес из природных источников низкопотенциального тепла представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. Геотермальные флюиды, с температурой не ниже 20-30°С, имеются на умеренных глубинах во многих регионах страны. Такие флюиды могут играть роль эффективных источников низкопотенциального тепла для ТН. Использование тепла грунта также представляет интерес. Для этого создаются неглубокие скважины (до 100 м), которые служат подземными теплообменниками, по которым циркулирует теплоноситель ТН. В зависимости от типа грунта, наличия подземных вод и других факторов с 1 м длины современного теплообменника можно снять до 300 Вт энергии.

Также экономически выгодно применение комбинированных схем, в которых, например, наряду с использованием ФЭП, работают ТН, вырабатывающие тепло за счет вентиляционного воздуха помещения.

Но, кроме экономии первичной энергии, главнейшим фактором применения ТН является денежная экономия по сравнению с традиционными способами отопления и теплоснабжения городских объектов. Экономическая выгодность ТН в первую очередь зависит от его стоимости, которая на данный момент высока. С увеличением масштабов производства будет уменьшаться и стоимость ТН. На сегодняшний день в России производятся преимущественно компрессионные ТН тепловой мощностью от 10 кВт до 5 МВт. Оснащенность и производственная мощность существующей машиностроительной базы по выпуску ТН средней и большой мощности может считаться достаточной при малом масштабе производства, но она недостаточна для удовлетворения рынка ТН со средней тепловой мощностью 20 кВт. Для этого нам необходимо выпускать до 10000 агрегатов в год. Чтобы достичь таких результатов, на надо существенно расширить производственную базу. Особенно в сфере производства компрессоров для тепловых насосов, так как на данный момент они в большинстве своем приобретаются за рубежом. [11]