Тепловые насосы для российских городов

И. А. Султангузин, доктор техн. наук, профессор

А. А. Потапова, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Говорин, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Албул, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

Применение высокотемпературных тепловых насосов

Каковы перспективы применения мощных тепловых насосов для модернизации и развития систем теплоснабжения? Их преимущества по сравнению с маломощными тепловыми насосами заключаются в следующем:

• более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
• меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;
• более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500–3 000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт), с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8,5–11,5 МВт.

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами.

Для теплоснабжения Стокгольма построена и работает станция тепловых насосов с 6 агрегатами общей мощностью 180 МВт. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до 2–4 °С. В Хельсинки и Осло работают тепловые насосы на сточных водах. В летний период они производят одновременно тепло для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Применение тепловых насосов большой мощности наиболее эффективно в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода и где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды.

Тепловой насос на сточных водах

В качестве примера рассмотрим работу теплового насоса с двухступенчатым центробежным компрессором и промежуточным сосудом с тепловой мощностью 17 МВт. На рис. 1 представлена схема такого теплового насоса с температурой в испарителе 3,5 °С и 90,1 °С в конденсаторе. В качестве рабочего тела используется хладагент R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан CH₂F-CF₃) с температурой 101,08 °С и давлением 40,603 бар в критической точке, не оказывающий влияния на озоновый слой.

Рисунок 1 (подробнее)   Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод.

По результатам расчета теплового насоса [1] потребление электрической энергии на привод компрессора получилось равным N_э = 7 075 кВт.

Коэффициент трансформации тепла, определяемый как отношение тепловой мощности компрессора к величине потребляемой им электрической энергии, получается равным 17 000/7 075 = 2,40.

Это немного, однако нужно учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе:

t = 90,1 – 3,5 = 86,6 °С, недоступный для большинства других типов тепловых насосов.

При подаче в испаритель охлаждаемой воды в летний период вместо сточных вод тепловой насос помимо тепла может производить холод для систем кондиционирования, при этом его холодопроизводительность будет равна Q_исп = 10 073 кВт.

Тепловой насос на обратной сетевой воде

В статье [2]  рассматривается возможность применения тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды в непосредственной близости от потребителей (на ЦТП, пиковой котельной и т. д.), которая возвращается на ТЭЦ из системы централизованного теплоснабжения.

Одним из важных достоинств такой тепловой схемы является снижение температуры обратной воды, что позволит повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ на тепловом потреблении. Это тем более актуально в связи с тем, что температура обратной сетевой воды постоянно завышается, чему есть много разных причин, и не только технических. В двух таких разных городах, как Краснодар и Красноярск, было отмечено превышение температуры воды в обратной линии систем теплоснабжения в зимний период над нормативной по тепловому графику на 5–8 °С.

Для сравнения был проведен расчет рассмотренного выше теплового насоса на тепле обратной сетевой воды. Было принято, что температура хладагента в конденсаторе равна тем же 90,1 °С, а в испарителе 40 °С. Часть сетевой воды, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, направляется в испаритель, где охлаждается с 58 до 46 °С и затем возвращается на ТЭЦ. Вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления локального потребителя, направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается с 58 до 88 °С для возврата потребителю.

При тепловой мощности конденсатора 17 000 кВт потребление электрической энергии на привод компрессора составит 4 050 кВт, а коэффициент трансформации тепла соответственно будет равен 4,20.

При определении мест для установки и наиболее эффективной работы тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения необходимо определить приоритетную шкалу их энергетической и экономической эффективности. Для определения такой шкалы наиболее интересной представляется работа [3] , согласно которой тепловые насосы должны в первую очередь замещать электрические котлы и водогрейные котлы на органическом топливе и не снижать комбинированную выработку электроэнергии ТЭЦ на тепловом потреблении.

Перспективы применения высокотемпературных тепловых насосов для развития систем теплоснабжения Москвы

Создание крупных теплонасосных установок (мощностью до 100 МВт) для развития систем теплоснабжения города Москвы активно обсуждалось в конце 1970-х годов, однако, к великому сожалению, эта программа не была принята к реализации.

Мировой опыт развития крупной теплонасосной техники 1980–2000 годов полностью подтвердил их высокую энергетическую эффективность.

Для создания современных тепловых насосов большой мощности необходимо присутствие нескольких факторов: государственная программа целевого финансирования; законодательство, стимулирующее применение энергосберегающего и экологически чистого оборудования; уровень цен на энергетические ресурсы, вынуждающий потребителей внедрять энергосберегающую технику.

Другим вариантом (не альтернативным) является закупка зарубежного теплового насоса большой мощности для демонстрационного проекта теплоснабжения одного из районов Москвы.

В условиях относительно низких цен на природный газ эффективным может стать проект создания теплового насоса с газопоршневым и газотурбинным приводом и утилизацией тепла в котле-утилизаторе.

Также перспективным может быть применение абсорбционных тепловых насосов с газовым обогревом. В [4]  показано, что при развитии систем теплоснабжения абсорбционные и парокомпрессионные тепловые насосы не должны противопоставляться друг другу, но нужно использовать лучшие качества каждого из них и находить такие комплексные решения, которые позволили бы получить максимальную выгоду от их совместного использования при производстве тепла и холода для кондиционирования.

Основным заказчиком для реализации тепловых насосов большой мощности может стать ОАО «МОЭК». Для реализации тепловых схем с тепловыми насосами на сточных водах и обратной сетевой воде в совместную работу могут быть вовлечены МГУП «Мосводоканал» и ОАО «Мосэнерго», что даст значительный энергосберегающий и экологический эффект для Москвы.

Создание экологичных хладагентов

Актуальной является проблема использования в тепловых насосах систем теплоснабжения хладагентов, не влияющих на озоновый слой и на глобальное потепление.

В 1990-е годы в России рядом институтов страны был выполнен большой объем работ по переводу промышленности на новый класс химических соединений взамен запрещенных озоноразрушающих веществ (ОРВ). В результате проведенных исследований предложена номенклатура новых хладагентов: гидрофторуглероды ГФУ R-134а,

R-152a, R-125, R-32 и др. Основное отличие данных соединений от ОРВ – отсутствие в их молекулах атомов хлора и брома, которые могут участвовать в цикле разложения озона. Кроме нулевого значения озоноразрушающего потенциала (ODP) и величины потенциала глобального потепления климата (GWP) главным критерием при выборе заменителей ОРВ является близость физико-химических и эксплуатационных свойств к аналогичным характеристикам заменяемых ОРВ. Основные свойства хладагентов представлены в таблице.

В мире намечается тенденция активного использования хладагентов четвертого поколения, имеющих высокую эффективность, не влияющих на озоновый слой и оказывающих минимальное воздействие на глобальное потепление (рис. 2).

Рисунок 2. История развития хладагентов

На основе моделирования построена прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов (рис. 3), происходящих в тепловом насосе на новом хладагенте четвертого поколения R-1234ze(E) (тетрафторпропилене CF3CH=CHF). Из диаграммы видно, что двухступенчатая схема с промежуточным сосудом позволяет наиболее простым и надежным способом обеспечить высокотемпературный нагрев сетевой воды системы теплоснабжения [4]. Промежуточный сосуд действует как сепаратор фазы при промежуточном давлении после попадания туда парожидкостной смеси (поток 7 на рис. 1) и перегретого пара (поток 2) и является самым легким способом создания двухступенчатой системы (без риска попадания жидкости во вторую ступень компрессора с потоком 11). Дополнительное повышение эффективности дает переохлаждение хладагента в переохладителе (процесс 3–6), т. к. при этом повышается передаваемая потребителю тепловая нагрузка в конденсаторе (процесс 5–6) без увеличения расхода хладагента.

Рисунок 3 (подробнее)   Прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте 1234ze(E) на сточных водах

Сравнение характеристик теплового насоса по коэффициенту трансформации тепла показывает, что для R-134а μ= 2,4 [1], для R-1234yf  = 2,2, для

R-1234ze(E)μ = 2,6. Большее значение коэффициента трансформации для хладагента R-1234ze(E) во многом обусловлено большим значением критической температуры (см. таблицу).

Потенциальный рынок для новых экологичных хладагентов – это полная замена всех ОРВ, переходных ОРВ, а также озонобезопасных хладагентов в тепловых насосах, в промышленных холодильных машинах и бытовых холодильниках, в системах кондиционирования зданий и автомобилей. В последующем новые материалы на основе фтора, не влияющие на глобальное потепление, могут найти применение для систем пожаротушения, производства пеноматериалов в строительстве и т. д.

Таким образом, необходимо найти новые хладагенты четвертого поколения с GWP < 150, которые являются нетоксичными и невзрывоопасными, спрогнозировать и подтвердить их термодинамические свойства, разработать и внедрить технологии их производства, оценить их энергетическую и экологическую эффективность, как заменителей хладагентов третьего поколения. Задача заключается в том, чтобы не опоздать на рынок хладагентов нового поколения для тепловых насосов, систем кондиционирования административных и жилых зданий, холодильной техники, прежде всего в России и странах СНГ. Основными производителями экологичных хладагентов четвертого поколения могут стать газоперерабатывающие предприятия ОАО «Газпром».

Литература

1. Султангузин И. А., Потапова А. А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2010. № 10.

2. Николаев Ю. Е., Бакшеев А. Ю. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ // Промышленная энергетика. 2007. № 9.

3. Богданов А. Б. Применение тепловых насосов в «большой» энергетике // Материалы X всероссийской научно-практической конференции «Эффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2009.

4. Потапова А. А., Султангузин И. А. Применение тепловых насосов в системе теплоснабжения промышленного предприятия и города // Металлург. 2010. № 9.