• Главная страница
• История
• Зарубежом
• СССР, Россия
• Принцип действия
• Классификация
• Источники энергии
• Библиотека
• Обратная связь

История >> СССР и Россия

Михельсон В. А.

В СССР историю тепловых насосов следует начинать с работ физика В. А. Михельсона. Он впервые проанализировал возможность применения парокомпрессионных (конденсационных) холодильных машин для теплоснабжения зданий (рис. 1). Он также указал на основные причины, тормозившие в то время применение теплонасосного (динамического) отопления: дешевизну органического топлива, а также сложность и дороговизну оборудования.

Работа В. А. Михельсона, датированная 1930 г., до сих пор не потеряла своей актуальности. Автор, в частности, пишет: "Теперь условия изменились. Дешевизне минерального топлива, по-видимому, наступил конец. Острый топливный кризис не есть явление местное и временное, но явление общее и длительное, обусловленное глубокими физическими, экономическими и социальными причинами. Поэтому теперь отпадает и второе затруднение, так как нельзя жалеть никаких затрат и усилий для облегчения и преодоления этого кризиса".

В собрании сочинений В. А. Михельсона представлены два детально разработанных проекта: "Проект двухэтажного жилого дома, динамически отапливаемого из артезианского колодца" и "Проект четырехэтажной гостиницы, динамически отапливаемой из аккумулятора солнечной теплоты, расположенного под самим зданием". К сожалению, эти проекты не были претворены в жизнь. И дальнейшее работы в СССР по ТНУ имели в основном обзорный и расчетно-теоретический характер.

Н. И. Гельперин рассмотрел вопросы применения тепловых насосов в выпарных и сушильных установках для химической и других отраслей промышленности. В предложенной им выпарной установке (рис. 2) пар растворителя сжимается с повышением температуры в конденсаторе и затем, конденсируясь в змеевике, нагревает выпариваемый раствор. Отводимый из установки конденсат нагревает поток раствора на входе в нее. Рабочим веществом является сама испаряемая жидкость. Изменение ее состояния происходит по разомкнутому циклу.

А. Ф. Иоффе, призывая к использованию холодильных машин для отопления, отмечал их связь с теплофикацией: прилегающий к ТЭЦ район он предлагал снабжать теплотой, отводимой от турбин, а в более отдаленные районы подавать электрическую энергию для привода теплового насоса.

В 30-е годы исследованиями тепловых насосов начали заниматься в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф. Э. Дзержинского, Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползунова и других организациях.

Технико-экономический расчет Г. Ф. Ундрица

Г. Ф. Ундриц провел технико-экономическое сравнение трех отопительных систем: теплонасосной, электрической и обычной (от водогрейных котлов) применительно к трем городам: Ленинграду, Одессе и Баку. В работе дан график распределения зон экономической эффективности указанных систем (рис. 3). Показано, что зона эффективного применения ТНУ расширяется со снижением средней температуры отопительного периода и увеличением его продолжительности.

При высоких значениях этой температуры тепловые насосы не рентабельны, вследствие кратковременного периода использования установленной мощности. Поле графика делится почти горизонтальной линией на две части: верхнюю - зону котельных при дорогостоящей электроэнергии и нижнюю - зону прямого (непосредственного) электроотопления при дешевой электроэнергии. На основе этих результатов Г. Ф. Ундриц сделал вывод о необходимости круглогодичного применения ТНУ в южных районах: зимой - для отопления, летом - для охлаждения.

По расчетам Г. Ф. Ундрица прямое электроотопление при некоторой низкой стоимости электрической энергии становится выгоднее теплонасосного, т. е. приемлемая для ТНУ стоимость электроэнергии, ограниченная сверху зоной котельных, снизу ограничивается зоной прямого электроотопления. Подчеркивается также целесообразность аккумулирования теплоты в больших резервуарах и применения ТНУ для объектов, не требующих высокой температуры теплоносителя, т. е. плавательных бассейнов, систем котельного отопления и т. д.

Выводы Г. Ф. Ундрица относительно стоимости различных систем отопления в трех указанных городах базируются на существовавших тогда ценах на топливо, а также на холодильное и котельное оборудование. Поэтому в настоящее время эти результаты расчетов не могут быть использованы при проектировании. Кроме того, температуру испарения рабочего вещества автор принимал одинаковой для всех трех городов, что снизило действительный коэффициент преобразования ТН для южных районов и повлияло на результаты технико-экономического сопоставления.

Примеры внедрения

А. Н. Ложкин и Ю. В. Голевинский, излагая результаты исследований, проводившихся в ЦКТИ с 1934 г., показали роль парокомпрессионных и пароструйных ТН в развитии теплофикации СССР. Для теплоснабжения на ТЭЦ отбирается пар максимального давления и дросселируется до нужной каждому потребителю величины. В результате ТЭЦ недовырабатывает значительное количество электроэнергии. Эффективное решение вопроса было найдено при использовании тепловых насосов для повышения давления пара низких параметров, отбираемого у турбин, до уровня, необходимого каждому потребителю.

А. Н. Ложкин и Ю. В. Голевинский впервые указали экологические и другие преимущества централизованного теплоснабжения промышленных предприятий при использовании тепловых насосов: уменьшение загрязнения атмосферы, снижение перевозок топлива (дальних и внутригородских), ликвидация топливных складов на предприятиях, уменьшение потребности в рабочей силе и др.

В послевоенные годы в СССР были разработаны интересные варианты использования тепловых насосов. В работе А. А. Канаева перечислены источники низкопотенциальной теплоты для ТНУ. Предложено использовать циркуляционную воду ТЭС (охлаждать ее конденсаторы). По этой же схеме тепловой насос можно использовать для утилизации тепла сбросных вод (воды, охлаждающей мартеновские и другие печи) химических аппаратов, канализационных вод банно-прачечных предприятий и др.

В работе А. А. Канаева также отмечается, что тепловой насос может иметь не только электрический, но и другой привод. В качестве такого привода предлагаются паровые и газовые турбины.

В 50-е годы значительный технический прогресс в советском машиностроении, развитие холодильной техники и строительство мощных гидроэлектростанций создали благоприятные условия для широкомасштабного применения ТНУ. Для теплоснабжения были предложены конкретные проекты применения ТНУ, использующих разные источники теплоты. Например, в качестве источника низкопотенциальной теплоты было предложено использовать теплоту, выделяющуюся в генераторах и трансформаторах ГЭС. Отмечена возможность использования одних и тех же отопительных приборов, как для отопления, так и для охлаждения в летнее время.

В 1952 г. проводилось Всесоюзное совещание по вопросу применения ТН в народном хозяйстве СССР. Была дана положительная оценка работе, выполненной в ряде центров Советского Союза в области тепловых насосов, и принят ряд рекомендаций по уточнению дальнейшей направленности теоретических и практических работ в данной области.

В начале 50-х годов в СССР были найдены большие залежи нефти и природного газа, поэтому теплоснабжение и энергетика были ориентированы на газовое и жидкое топливо. В это время тепловые насосы были признаны нерентабельными, однако работы по их внедрению в стране продолжались.

В конце 50-х годов в г. Волжском была разработана и сооружена теплонасосная система отопления и круглогодичного кондиционирования воздуха в кинотеатре „Спутник". Установка состояла из трех одинаковых теплонасосных агрегатов, один из которых работал на водяную и два - на воздушную системы отопления.

В ГССР в течение многих лет под руководством академика АН ГССР В. И. Гомелаури и д-ра техн. наук О. Ш. Везиришвили велись работы по созданию ТНУ и их исследованию в эксплуатационных условиях.

В начале 50-х годов разработано техническое предложение о сооружении ТНУ на курорте Цхалтубо, где геотермальные воды после использования в лечебных целях сбрасываются с температурой около 30°С, практически постоянной в течение года. Зимой при работе ТНУ в режиме отопления здании санаторной зоны эти сбросные воды следует использовать в качестве теплоотдатчика, а летом при работе ТНУ в режиме кондиционирования воздуха – в качестве   теплоприемника.

В 1958 г. проведено исследование опытной ТНУ с солнечными нагревателями, показавшее перспективность использования солнечной энергии в качестве источника теплоты для ТН в южных районах СССР.

Перспективным оказалось применение ТН в чайной промышленности. Технологические процессы переработки чайного листа (завяливания и сушки) осуществляются в потоках воздуха, нагреваемого соответственно до 45 и 85-90°С в воздухонагревателях, работающих на мазуте. Первая опытно-промышленная ТНУ была сооружена на Губской чайной фабрике в 1967 г. для теплоснабжения чаезавялочного агрегата и технологического кондиционирования воздуха роллерно-ферментационного цеха.

Климатические условия на курортах Черноморского побережья Кавказа и Южного берега Крыма благоприятны для широкого внедрения ТНУ не только по экономическим и экологическим соображениям, но и по сочетанию требуемых тепловых и холодильных мощностей. В Черноморской курортной зоне летние максимальные нагрузки хладоснабжения лишь на 10 - 25% превышают зимние максимальные нагрузки отопления. Их примерное равенство позволяет нагружать ТНУ достаточно равномерно в течение года, максимально используя установленную мощность.

Серийное производство

ВНИПИэнергопромом выполнены первые разработки по применению крупных парокомпрессорных тепловых насосов в системах теплоснабжения. В качестве низкопотенциального источника тепла рассматривались теплота сбросных вод станций аэрации с минимальной среднемесячной температурой 14-16 °С (в частности, Люберецкая станция, принимающая канализационные стоки г. Москвы), системы оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Применение бромисто-литиевых тепловых насосов, утилизирующих теплоту водооборотных систем и работающих на горячей воде от котельной с температурой 160-180°С для централизованного теплоснабжения экономило около 21% топлива, потребляемого предприятием на теплоснабжение. Однако, при существующих в то время необоснованно низких ценах на топливо, срок окупаемости затрат составлял 8-9 лет.

ВНИИхолодмашем в 1986-1989 гг. был разработан ряд парокомпрессорных тепловых насосов тепловой мощностью от 17 кВт до 11,5 МВт десяти типоразмеров "вода-вода", двух типоразмеров "вода-воздух" (НТ-45, НТ-65, см. таблицу 1).

Таблица 1. Тепловые насосы ВНИИхолодмаш

Три типоразмера: НТ300, НТ500, НТ1000 выпускались с материальным исполнением испарителей, позволяющих использовать в качестве источника тепла морскую воду. Опытные образцы большей части типоразмеров были изготовлены и испытаны на пяти заводах холодильного машиностроения.

С 1987 по 1992 г.г. наиболее востребованные тепловые насосы 4-х типоразмеров: ТХУ14, НТ100, НТ300, НТ8500 были выпущены общей тепловой мощностью 40 МВт. Два наиболее крупных тепловых насоса НТ8500 были установленных на Светогорском целлюлозно-бумажном комбинате (ЦБК, г. Светогорск, Ленинградская обл.) общей тепловой мощностью 17 МВт. Они работали в замкнутом контуре охлаждения технологической воды, отводящей теплоту технологических процессов за счет ее утилизации.

После распада СССР и спада производства, почти все освоенные тепловые насосы и новые разработки оказались невостребованными, а еще позже оказались физически и морально устаревшими (в большинстве из них в качестве хладона применялся ныне запрещенный фреон R12, конструкции теплообменных аппаратов требовали большого объема заправки дорогостоящего хладона, применялось большое количество арматуры, имеющей сальники и фланцы, уровень автоматизации, защиты и сигнализации был низок). В настоящее время практически не осталось действующего теплонасосного оборудования тех лет.

В настоящее время из всех заводов, производящих холодильное оборудование, только АО "Московский завод холодильного машиностроения "Компрессор" выпускает два типоразмера тепловых насосов с винтовыми компрессорами НТ2804908 и НТ4104908 и ОАО "Пензкомпрессормаш" производит 3 типоразмера агрегатов для тепловых насосов с винтовыми компрессорами: АТ 36040, 21АТ5504, 24А140041.

Тепловые насосы производства завода "Компрессор" НТ2804908 и НТ4104908 работают на хладоне R142b и, соответственно, имеют тепловые мощности 280 и 395 кВт при температуре нагретой воды на выходе из теплового насоса 60°С и температуре источника тепла на входе 30 °С. Максимальная температура нагрева в этих тепловых насосах 65 °С, а минимальная температура источника тепла на входе 10 °С.

Агрегаты для тепловых насосов ОАО "Пензкомпрессормаш" (г. Пенза) также предназначены для работы на хладоне R142b в диапазоне температур кипения 0?25°С и температур конденсации 65?85°С. Тепловая мощность первых двух агрегатов соответственно составляет 360 и 550 кВт при температурах кипения и конденсации 0/65°С, а у 24А140041 тепловая мощность 930 кВт при температурах кипения и конденсации 10/70°С. Агрегаты могут работать на хладоне R12 либо его заменителях с соответствующими маслами. Всего выпущено более 10 агрегатов всех типоразмеров и они использованы в тепловых насосах, произведенных ЗАО "Энергия", г. Новосибирск.

Основными ограничительными факторами распространения тепловых насосов в России являются:

- приоритетная газификация во всех отраслях народного хозяйства и низкая стоимость для потребителя природного газа;

- практическое отсутствие современных научно-технических разработок и специализированного производства тепловых насосов на мировом уровне;

- отсутствие стимулирующих льгот со стороны государства;

- недостаточная потребительская надежность и безопасность созданных на базе холодильной техники и работающих в настоящее время тепловых насосов, связанные с отсутствием сертифицирования производителей, монтажных и пусконаладочных организаций, отсутствие страховки и гарантий как части общего пакета услуг.

Однако рост цен на топливноэнергетические ресурсы, значительный и повсеместный рост строительства нового жилья в соответствии с требованиями новых строительных норм и правил (СНиП), введенных с 2001 г., в том числе индивидуального, подкрепляемого ипотечными программами, в некоторых случаях экологические ограничения, заставляют все чаще обращаться к таким нетрадиционным тепло источникам, как тепловые насосы.

При подготовке материала использовались следующие источники:

1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.
2. Процессы энергопереноса в тепловых насосах: Монография / Под ред. А. Жукаускаса; Литов. АН. Ин-т физ.-техн. проблем энергетики. – Вильнюс: Мокслас, 1990. – 186 с.
3. В. Г. Горшков Тепловые насосы. Аналитический обзор //Справочник промышленного оборудования, 2005, ± 4.