Эволюция тепловых насосов
Проанализировав последние 35 лет, в течение которых по нарастающей идет внедрение тепловых насосов – технологии, позволяющей преобразовывать низкопотенциальную энергию окружающей среды в тепловую, было выявлено множество, как положительных моментов, так и ошибок. В данной статье на примере Швеции показано, куда за это время сместились приоритеты развития тепловых насосов и как различные стимулы изменили их рынок и технологию.
1975–1985: годы становления
Этот период характеризуется различными амбициозными инициативами, исследованиями и разработками. Кроме того, было проведено большое количество полевых измерений и исследований.
Определенным успехом на рынке пользуются тепловые насосы неглубокого залегания с грунтовым источником тепла, часто со змеевиками прямого расширения. Эта технология получила поддержку Департамента энергетики Швеции. Выделяются щедрые государственные субсидии и гранты, результатом которых в начале 1980 х годов становится «всплеск» интереса к тепловым насосам. В 1985 году в системе централизованного теплоснабжения уже работает около 100 тепловых насосов мегаваттной мощности, кроме этого около 110 000 насосов малой мощности использовались в жилых домах.
Тепловые насосы также становятся объектом исследований для университетов, особенно Королевского института технологий (Kungliga Tekniska Hogskolan – далее KTH) и Чалмерского Университет Технологий (Chalmers tekniska hogskola – далее Chalmers). Системы с грунтовым источником тепла исследовались в Техническом институте Ланда (Lund tekniska hogskola – далее LTH).
Одним из главных достижений этого периода стало создание руководства по грунтовым источникам (Claesson 1985), в котором рассматривались все виды систем отопления, охлаждения и хранения энергии. Математические модели из этого руководства до сих пор используются в качестве основы для воссоздания поведения источников теплоты для систем тепловых насосов с грунтовыми источниками.
В Стокгольме был построен самый большой тепловой насос, мощностью 250 МВт, который мог покрывать до 60 % общей тепловой нагрузки сети централизованного теплоснабжения Стокгольма.
Проблем с хладагентами не возникало: вопросы истощения озонового слоя и глобального потепления были неизвестны. В системах с грунтовым источником обычно использовался R22 или R502. Уникальная особенность того времени – работа многих систем исследовалась с момента создания еще длительное время, что позволило накопить существенный опыт.
Типичные показатели эффективности тепловых насосов для односемейных жилых домов:
hКарно = 0,4–0,5, SPF=2,0–2,5 (грунтовый источник), 1,5–2,2 (наружный воздух) и 2,0–2,5 (вытяжной воздух).
1986–1995: крушение рынка и прекращение использования хладагента
Начало периода характеризуется существенным снижением стоимости мазута, уменьшением государственных субсидий и ростом процентных ставок. Это вызвало крушение рынка и банкротство многих компаний.
Прекращение использования фреона еще более усложнило жизнь производителей. Швеция оказалась на передовой запрета озоноразрушающих веществ и запустила первую национальную исследовательскую программу в области альтернативных хладагентов: R143 быстро стал заменой для R12, R404A и R507 – для R502, а затем R407C – для R22.
В начале 1990 х был объявлен конкурс на наиболее эффективный тепловой насос. Хотя новые агрегаты не были совершенны по многим техническим показателям, они встряхнули рынок данного оборудования. Было установлено большое количество тепловых насосов «воздух – воздух», которые еще не были полностью адаптированы для работы в данных климатических условиях: изменение температуры наружного воздуха выше или ниже ожидаемых границ вызывали неполадки.
Появились пластинчатые теплообменники, позволившие существенно уменьшить объем используемого хладагента и снизить разницу температур в теплообменнике. Компрессоры становились все более эффективными с коэффициентами давления, более подходящими для работы с тепловыми насосами. Кроме того, рыночная конкуренция и рационализация значительно снизили стоимость бурения.
Типичные показатели эффективности тепловых насосов
Для односемейных жилых домов:
hКарно = 0,45–0,55, SPF = 2,5–3,0 (грунтовый источник), 2,0–2,5 (наружный воздух) и 2,5–3,5 (вытяжной воздух).
Для системы централизованного теплоснабжения:
hКарно = 0,60–0,65, SPF = 2,5–3,0 (сточные воды ~ 10 °C, централизованное теплоснабжение ~ 80 °C).
1996–2000: восстановление рынка
Данный период можно охарактеризовать некоторым восстановлением рынка, особенно для установок малой мощности, таких как тепловые насосы, использующие в качестве источника теплоты вытяжной воздух (ТН с ВВ). Данные агрегаты устанавливались преимущественно в новых домах и выполняли функцию систем рекуперации теплоты для бытового горячего водоснабжения, что соответствовало строительным требованиям, действующим на тот момент. Новые требования предполагали увеличение теплоизоляции зданий, благодаря чему отопительная нагрузка небольших жилых зданий снизилась. Тепловая мощность ТН с ВВ позволила покрывать приблизительно 50 % энергетической нагрузки (остальную часть обеспечивал вспомогательный электрический нагреватель). С этого времени ТН с ВВ стали стандартным решением для отопления малых и средних жилых домов, и их монтаж и подключение стало обычными услугами.
Были разработаны исследовательские программы, например «Climate 21», направленные на повышение эффективности и решение различных системных вопросов в сфере тепловых насосов и систем охлаждения. Исследования проводились научно-техническими университетами и исследовательскими институтами в тесном сотрудничестве с производителями тепловых насосов, теплообменников, систем управления, коммунальными предприятиями и инженерами-консультантами.
Проекты затрагивали всевозможные компоненты и параметры систем: теплопередачу, замену и минимизацию объема хладагента, компрессоров и насосов с переменной скоростью, восстановление скважин, интегрированные системы управления и т. д., а также влияние широкого применения тепловых насосов на национальные электрические сети (в частности, при использовании вспомогательного электрического отопления).
2001–2005: взлет рынка и совершенствование продукции
Наблюдается широкое распространение тепловых насосов. Образовался устойчивый рынок, особенно для установок, предназначенных для относительно больших односемейных домов – тепловых насосов с грунтовым источником (ТН с ГИ), в которых контроль производительности был стандартной функцией.
Действуют правительственные поддерживающие инвестиции, нацеленные на снижение расхода мазута и модернизацию домов с электрическим отоплением. Быстро внедряются тепловые насосы «воздух – вода»: появились новые модели, благодаря выгодной инвестиционной стоимости и/или неблагоприятным условиям для бурения. Злопыхателями инициирована дискуссия о потреблении электричества системами тепловых насосов. Становится более открытой конкуренция на рынке отопления между поставщиками биотоплива и централизованного теплоснабжения.
Конструкция тепловых насосов для жилого сектора становится более совершенной: с использованием систем управления, оптимально подбирающих температуру приточного теплоносителя к температуре наружного воздуха, с минимальным временем простоя между запусками системы, с использованием защитных циклов от легионеллы и т. д. В качестве конденсаторов и испарителей широко используются специальные теплообменники с более узкими каналами и, следовательно, более эффективными теплопередающими поверхностями. Кроме того, начали использоваться высоко эффективные насосы для циркуляции рассола и нагревающей воды. Предпочтение отдается спиральным компрессорам, а R407 С становится стандартным хладагентом.
Производительность тепловых насосов продолжают повышать, но не скачкообразно, а постоянно:
Типичные показатели эффективности тепловых насосов
Для односемейных жилых домов:
hКарно = 0,50–0,60, SPF = 2,5–3,5 (грунтовый источник), 2,0–3,0 (наружный воздух), 2,5–3,5 (вытяжной воздух).
Для системы централизованного теплоснабжения:
hКарно = 0,65–0,70, SPF = 2,5–3,5 (сточные воды ~ 10 °C, централизованное теплоснабжение ~ 80 °C).
SPF = 4,0–6,0 (комбинированное отопление и охлаждение).
2006 – будущее: дальнейшее развитие
При наличии эффективного ТН с ГИ рыночная стоимость домов увеличивается. Это придает теплонасосным системам более высокий статус и значение. Все более распространяются установки с компрессором и/или насосами переменной скорости. Большую популярность приобретает пассивное охлаждение, т. е. использование скважины в качестве теплоотвода.
На рынок готовы выйти интеллектуальные рентабельные системы для модернизации зданий с прямым электрическим отоплением с водяным распределением теплоты. Так называемые «моновалентные» системы с использованием электричества не только для пиковых нагрузок становятся более распространенными и субсидируются электроснабжающими компаниями.
Растет интерес к тепловым насосам мощностью 25–40 кВт (и более), которые предполагается использовать в небольших многосемейных домах или офисных зданиях. Для увеличения производительности системы тепловые насосы устанавливаются по параллельной схеме. Действует около 100 мощных (более 200 кВт) тепловых насосов с грунтовым источником для отопления и охлаждения офисных зданий, для которых пробурено более 15 скважин общей глубиной > 3 000 м, а также около 40 систем с открытым контуром (грунтовые воды) большой мощности.
Внимание производителей обращается к рабочей жидкости теплового насоса: предпринимаются попытки введения новых требований или маркировки для продвижения так называемых натуральных хладагентов. Стандартным выбором является R407C или R404A, R410A или R134a.
Различные производители вкладывают немало сил в научные разработки. Для разработки тепловых наосов с грунтовым источником нового поколения строятся новые научно-исследовательские лаборатории, полностью интегрированные с соответствующими проектными офисами.
Итак, тепловые насосы с грунтовым источником в Швеции достигли высокого признания; порядка 30 % односемейных домов на данный момент отапливаются различными системами с тепловыми насосами. Таким образом, этот метод сегодня является предпочтительным для односемейных домов с умеренными энергетическими нагрузками. Для меньших домов с малыми энергетическим нагрузками стандартным решением являются тепловые насосы с источником теплоты из вытяжного воздуха. Но вполне возможно, что вскоре широкое распространение получат системы с двойным источником теплоты – вытяжной воздух и грунтовый теплообменник, поскольку это позволит достичь лучшего коэффициента энергетического покрытия, что согласуется с требованиями новых директив в области энергоэффективности.
Однако, несмотря на большие достижения, многие вопросы остаются открытыми. Необходимы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по усовершенствованию как отдельных компонентов теплонасосных установок, так и систем в целом, включая решение вопросов, связанных с подключением систем к грунтовым источникам (скважины, конструкция коллектора, технологии бурения, методы геологической разведки участков и методики расчетов), пассивным охлаждением, двойными источниками тепла, технологиями покрытия пиковых нагрузок без использования электричества и т. д.
Правила использования материалов сайта
|
