2.9. Использование энергии окружающей среды

Источником теплоснабжения могут служить тепловые насосы, которые преобразовывают низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, грунта, воздуха), а также тепловые отходы промышленных предприятий и коммунальных служб в тепловую энергию нужного потенциала. Перенесение теплоты от источника низкого потенциала на более высокий температурный уровень осуществляется подведением механической энергии или дополнительным подведением теплоты.

Рис. 2.31. Схема парокомпрессионного теплового насоса: 1 – конденсатор; 2 – дроссель; 3 – испаритель; 4 – компрессор

Наиболее простой конструкцией является тепловой насос парокомпрессионного вида, схема которого приведена на рис. 2.31.

Конструкция парокомпрессионного теплового насоса включает два теплообменных аппарата – испаритель, в котором происходит испарение жидкого холодильного агента за счет подведения теплоты при невысоком давлении от среды с низким потенциалом, и конденсатор, в котором происходит конденсация пароподобного холодильного агента при повышенном давлении за счет отдачи теплоты теплоприемнику. В схеме предусмотрен компрессор для отсасывания из испарителя и сжатия паров холодильного агента до давления конденсации.

Уравнение теплового баланса парокомпрессионного теплового насоса имеет вид

Q B = Q H + W, где Q B – энергия, которая передается от конденсатора к рабочей среде высокого потенциала; Q H – энергия среды низкого потенциала, которая передается испарителю; W – механическая энергия, затраченная компрессором на сжатие холодильного агента.

Цикл Карно относительно теплового насоса (рис. 2.32) состоит из таких процессов:

• изотермический процесс DC подведения теплоты Q D C (Q H) на низком температурном уровне T H, что отвечает условиям теплообмена с окружающей средой;
• изоэнтропическое сжатие CB, в процессе которого к рабочему телу подводится работа W C B ;
• изотермический процесс BA отведения
• теплоты Q B A (Q B) на высоком температурном уровне T B, что отвечает условиям теплообмена со средой, которая нагревается;
• изоэнтропическое расширение AD, в процессе которого рабочее тело возвращает энергию W A D, вследствие чего к компрессору подается внешняя энергия W, равная разнице энергий W C B и W A D.

Рис. 2.32. Цикл Карно и схема идеального теплового насоса

Отношение полезной теплоты, отведенной в процессе BA, к затраченной работе называют коэффициентом преобразования k п теплового насоса

k п = Q B A / W = T B /( T B – T H). Практический интерес с точки зрения энергоснабжения представляет коэффициент использования топлива k ит, являющийся отношением полезной энергии на выходе установки Q B к количеству энергии Q тoп, которое содержится в первичном топливе и которое использовано для работы теплового насоса:

k и т = Q B / Q тoп.

Чем выше коэффициент использования топлива, тем эффективнее работа теплового насоса. Другими словами эффективность теплового насоса тем выше, чем ниже стоимость использованной для привода компрессора механической или электрической энергии.

 Рис. 2.33. Принцип работы термоэлектрического теплового насоса

Более сложные конструкции аналогичного принципа действия имеют тепловые насосы абсорбционного и компрессионнорезорбционного типов.

Другой принцип работы имеют термоэлектрические тепловые насосы, действие которых базируется на эффекте Пельтье. Если взять полупроводниковое устройство, конструкция которого показана на рис. 2.33, то при пропускании постоянного тока через устройство на переходе n – p выделяется теплота, а на переходе p – n – поглощается. Таким образом, сменой направления электрического тока и его величины можно регулировать величину полученной теплоты или соответствующего охлаждения.

Тепловые насосы такого типа находят широкое применение в качестве кондиционеров в помещениях, для подогрева воды на фермах и во многих других случаях.

Существуют также тепловые насосы, действие которых основывается на использовании эффекта Ранка, двойного цикла Ренкина, работающие по циклу Стирлинга, Брайтона и других видов. Эти тепловые насосы имеют ограниченное применение и специфические условия использования.

В целом тепловые насосы позволяют одновременно решать такие проблемы, как энергосбережение, уменьшение эндогенного влияния на окружающую среду, экономия энергетических ресурсов и улучшение условий работы теплоэнергетических производств.

Тепловой насос для отопления зданий – экологически чистое устройство

Источниками низкопотенциальной теплоты, обеспечивающими энергетически эффективную и экономически целесообразную работу теплонасосных установок, могут быть:

• грунтовая вода, которая сохраняет на протяжении года постоянную температуру на уровне плюс 8–12°С;
• подземный грунт на глубине от 2 до 50 м при температуре плюс 10–14°С;
• морская вода с минимальной температурой в зимний период плюс 5–8°С;
• техническая вода систем охлаждения ТЭС, АЭС, промышленных и других установок;
• сточные воды очистных сооружений населенных пунктов и др.

Применение тепловых насосов перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечные, ветровые, биоэнергетические) и в локальных системах. Так, грунтовые тепловые насосы с тепловой мощностью до 16 кВт (к.п.д. до 6%) применяются для отопления зданий и кондиционирования.

Во многих развитых странах использование тепловых насосов является одним из эффективных направлений политики энергосбережения. Значительное распространение получили тепловые насосы в локальных системах отопления США (600 тыс.), Канады (136 тыс.), Швеции (200 тыс.), Германии (40 тыс.), Японии и других стран, их мощность будет быстро расти для теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах.

По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. использование тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения составит 75%.