Использование электроэнергии в установках прямого превращения электроэнергии в тепло по закону Джоуля — Ленца всегда связано с перерасходом первичного топлива, обусловленного КПД существующих тепловых электростанций и потерями при передаче электроэнергии по сетям. Этот перерасход не может быть полностью компенсирован преимуществами транспорта электроэнергии по сравнению с транспортом топлива. Однако для отдельных видов электроотопления и водонагрева за счет автоматического управления можно достигнуть повышения экономических показателей систем электротеплоснабжения, приблизив затраты первичного топлива к его затратам в котельных малой теплопроизводительности или квартирных теплогенераторах, но не снимая полностью вопроса перерасхода топлива.
Вместе с тем существует принципиально иной способ реализации электротеплоснабжения — применение так называемых тепловых насосов (TH). В настоящее время теоретически разработаны принципы и осуществлены па практике конструкции TH компрессорного, абсорбционного и термоэлектрического типов, однако по перспективам развития теплонасосной техники в ближайшие годы преобладающая роль будет принадлежать TH компрессорного типа. За рубежом выпускают около 200 типов TH преимущественно компрессионного типа мощностью от 1 до 20 кВт для применения в индивидуальных установках отопления и водонагрева.
Принцип компрессионного TH был открыт в 1852 г. Кельвиным и основан на реализации двух законов физики: при испарении в постоянном объеме вещество поглощает тепло, а при охлаждении выделяет; повышение давления вещества при постоянном объеме вызывает рост его температуры, а снижение давления — ее понижение.
Рис. 2.7. Принципиальная схема работы теплового насоса
Основным элементом TH (рис. 2.7) является компрессор. В испарителе 1 находится газообразный теплоноситель с низкой температурой кипения, например фреон с температурой кипения 3—5 °C. Пониженное давление фреона в испарителе поддерживается распределительным клапаном 8. Теплоноситель, нагреваясь за счет отбора тепла у окружающего воздуха 5 (воды или земли), переходит в парообразное состояние и поступает в таком виде в компрессор 2, где происходит сжатие паров и соответствующий рост их температуры. Проходя через конденсатор 3, теплоноситель-фреон нагревает воду в накопителе 4. При этом теплоноситель снижает свою температуру, что сопровождается его переходом обратно в жидкое состояние. Жидкий теплоноситель через распределительный клапан подается в испаритель, и процесс повторяется. Ввод холодной воды осуществляется через патрубок 7, выход горячей воды — через патрубок 6. Вентилятор 9 обеспечивает циркуляцию окружающего воздуха через испаритель.
Уравнение теплового баланса TH можно представить в виде
или
(2.6) где Q1 и Q0 — тепло, затраченное на нагрев воды и отобранное от окружающей среды соответственно;
Qпот — потери тепла в элементах системы TH; Р электрическая мощность TH (компрессора, вентилятора, аппаратуры управления и защиты); t — время включения TH в сеть; b — тепловой эквивалент электрической энергии.
Таким образом, Q1 при малых тепловых потерях всегда будет больше, чем тепловой эквивалент затраченной электроэнергии, на величину Q0. Иными словами, TH вырабатывает тепла больше, чем отбирает от сети. Это свойство TH оценивают значением отопительного коэффициента
Для системы TH без потерь предельное теоретическое значение
(2.7)
где Т и Тгор — абсолютные температуры источника тепла низкого потенциала и нагреваемой воды или воздуха.
Значение k0 определяется разностью между Тгор и Тср и температурой нагреваемой воды. Значение k0 возрастает с. уменьшением Tгор и разности Тгор—Тср для значений Тср в пределах колебаний температур наружного воздуха. Практическое значение k0 за счет потерь в элементах системы в 3—4 раза ниже (рис. 2.8).
Теоретически TH могут отбирать тепло у среды как с положительной, так и с отрицательной температурой. Однако при отрицательных температурах на теплообменных поверхностях образуются иней и наледь, что нарушает нормальный режим работы TH.
Рис. 2.8. Зависимость k0 теплового насоса от температуры среды Тср:
---------- — теоретические кривые;--------------------- в реальных конструкциях
Применение электрических подогревателей для оттаивания наледи ухудшает энергетические показатели TH, поэтому наиболее распространенные конструкции компрессионных TH работают с отбором тепла у сред с положительными температурами.
Термодинамические расчеты компрессионных TH с учетом потерь в элементах системы показали, что значения k0>1 при использовании тепла природных источников (воздух, вода, земля) могут быть получены при температурах нагрева в конденсаторе не более 55—65 °C. Для получения более высоких температур требуется установка дополнительных нагревателей на электроэнергии или другом виде топлива. Следовательно, TH могут быть использованы в быту для водонагрева и низкотемпературного отопления, что требует при применении TH в традиционных системах водяного отопления установки специальных радиаторов.
Значение k0 TH определяется выбором источника тепла низкого потенциала. Таким источником могут быть наружный воздух или воздух неотапливаемого помещения, вода открытых водоемов или подземных источников, земля. При использовании TH определяющим является режим самого холодного месяца. Для ликвидации перерасхода первичного топлива TH должен работать со среднегодовым или среднесезонным значением k0≈3. В современных конструкциях TH с отбором тепла у воздуха k0≈3 достигается при температуре 10—15 °C, у воды — при температуре 6—10 °C и земли — 3—8 °C. Это определяет целесообразность использования TH с отбором тепла у воздуха для отопления только в южных районах со среднегодовой температурой 10—15 °C и круглогодичными положительными температурами, а для водонагрева — и для более северных районов со среднегодовой температурой 6—12 °C. В последнем случае в непродолжительный период с отрицательными температурами возможно применение дополнительного электронагрева от нагревателя, встроенного в бак ЭВН теплового насоса.
Тепловые насосы для отопления и водонагрева с отбором тепла у воздуха благодаря простоте конструкции и монтажа находят широкое применение в странах с относительно теплой зимой. В Италии, Франции, США по системе воздух — воздух или воздух — вода работают более 85 % всех компрессионных TH.
Большинство населения СССР проживает в суровых климатических условиях, в районах с отрицательными зимними температурами. Для этих районов в качестве источника тепла низкого потенциала следует рассматривать грунт или воду (естественных водоемов, рек, колодцев, артезианских скважин и т. п.). При использовании тепла грунта в земле на определенной глубине закладывают пластмассовые трубопроводы, по которым циркулирует промежуточный теплоноситель — обычно смесь спирта. Глубина укладки трубопроводов определяется условиями промерзания почвы: трубы должны располагаться в слое, температура которого не ниже 2— 5 °C. Нагретая почвой жидкость по системе трубопроводов поступает в тепловой насос, где используется для нагрева хладагента. Таким образом, при отборе тепла у земли в системе TH появляется дополнительный контур, циркуляция жидкости по которому обеспечивается электронасосами. Система трубопроводов должна обеспечить поступление из почвы необходимого количества тепла, поэтому трубопроводы должны размещаться на сравнительно большой площади. Для условий Прибалтики площадь, занимаемая подземными трубопроводами, в 5—8 раз превышает площадь отапливаемого помещения. Температура почвы на глубине 0,8—1,5 м, которая приемлема для прокладки трубопроводов без больших дополнительных затрат, колеблется в течение года значительно меньше, чем температура наружного воздуха. Поэтому и колебания k0 у таких систем меньше, чем у TH с отбором тепла у воздуха.
Температура почвы 2—5 °C на глубине не более 1,5 м характерна для европейской части страны западнее линии Гурьев — Саратов — Владимир — Архангельск, а также для районов азиатской части южнее 46°. Для остальной территории страны зимние промерзания почвы больше, что приводит к повышению затрат по прокладке трубопроводов и снижению среднегодового значения k0 за счет меньшего колебания температуры почвы в течение года. Поэтому экономичность работы самих TH такого типа понижается в северных районах.
Конструктивно отопительные системы с TH и трубопроводами в земле работают на нагрев воды в общем баке-накопителе вместимостью 300 л и более, что при выполнении бака с хорошей теплоизоляцией позволяет размещать TH во вспомогательном помещении с температурой воздуха не ниже 0°С. Для работы TH может быть использовано тепло воды. В этом случае промежуточный теплоноситель, циркулирующий по замкнутому контуру, нагревается за счет тепла воды и подается к TH с помощью насоса. Производительность насоса определяется температурой воды и требуемым количеством тепловой энергии, отбираемой у воды. В Швеции и Финляндии, например, применяют воду с температурой 8—12 °C из глубины 100—150 м. Выпускаемые системы TH с отбором тепла у земли и воды обеспечивают среднегодовое значение k0 в пределах 2,2—2,6, реже 2,6—2, что делает их конкурентоспособными по расходу топлива с централизованными системами теплоснабжения малой теплопроизводительности.
Экономическая эффективность использования TH для отопления зданий и нагрева воды определяется тремя факторами: расходом электроэнергии (и первичного топлива), стоимостью теплонасосного оборудования, включая его монтаж и эксплуатацию, и капитальными затратами на усиление электрических сетей и создание новых генерирующих мощностей.
Расход электроэнергии при среднегодовом значении 2,5 составит 45 % расхода традиционными системами электроотопления и для условий европейской части страны может быть определен в 8000 кВт-ч на индивидуальный односемейный дом площадью 80—100 м2. Соответственно мощность теплонасосной установки для такого дома не превысит 5 кВт при работе в режиме свободного включения. Как известно, нагрузка системы электроотопления отличается высокой вероятностью включения, в связи с чем нагрузка от TH указанной мощности на центрах питания будет находиться в пределах не ниже 4 кВт. Это в 5 раз выше, чем нормируемая в тех же точках нагрузка от квартир со стационарными электроплитами. Поэтому внедрение теплонасосного электроотопления потребует создания новых генерирующих мощностей из расчета 4 кВт на дом и пятикратного увеличения пропускной способности элементов электрических сетей, питающих бытовую нагрузку.
Таким образом, широкое распространение для теплоснабжения жилых домов TH в районах с относительно мягкой зимой при малой плотности застройки, например в сельских районах, потребует увеличения генерирующих мощностей электростанций и расширения электрических сетей на указанный рост нагрузки в 4 кВт на дом, что вызовет очень большие капитальные вложения в систему электроснабжения. Эти затраты, а также стоимость TH и его монтажа должны окупиться за счет экономии электроэнергии, и при существующей в СССР стоимости электроэнергии вряд ли можно ожидать экономической эффективности систем полного электротеплоснабжения на базе TH. Работа систем TH в режиме аккумуляции тепла в часы провала графика нагрузки позволит повысить экономические показатели за счет исключения затрат на генерацию и передачу дополнительной электроэнергии. Однако при таком подходе встает вопрос о выборочном применении TH в отдельных домах в пределах существующего резерва ночных мощностей. В этом случае объемы внедрения TH должны определяться для конкретных районов и условий электро- и топливоснабжения.
Применение TH только для водонагрева с отбором тепла у наружного воздуха, как показали расчеты, экономически оправдывается для ЭВН вместимостью 200 л при его стоимости 300 руб., что может быть обеспечено при крупносерийном производстве TH.
Повышение экономичности отопительных установок на базе TH может быть достигнуто за счет:
использования в качестве источника тепла геотермальных вод с недостаточной для ее непосредственного использования температурой;
утилизации тепла отходящих газов; использования солнечной радиации;
применения TH в качестве базового источника теплоснабжения с использованием для покрытия пиковых нагрузок других генераторов тепла, в том числе и неэлектрических;
применения TH одновременно и для летнего кондиционирования. В этом случае затраты на TH и систему электроснабжения распределяются между системой кондиционирования и отопления, увеличивая экономическую эффективность TH.
