Теплонасосные установки малой мощности (до 100 кВт) получили широкое распространение в высокотехнологичных государствах мира. Они экологичны, надёжны, имеют небольшой размер, работают при пониженных температурах наружного воздуха в зимний период, кроме того, они могут кондиционировать помещений в тёплое время года. Однако, если активно развивается рынок тепловых насосов малой мощности, то следует оценить перспективы использования теплонасосов большой мощности (до 30 МВт и более) в целях модернизации и развития систем теплового снабжения [1]. Преимущества ТН большой мощности по сравнению с тепловыми насосами малой мощности заключаются в следующем:
- пониженные удельные вложения финансов (на 1 кВт тепловой мощности);
- меньшая занимаемая площадь (если сравнивать с большим числом теплонасосов малой мощности;
- более высокие технико-экономические параметры отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и ТН в целом.
В последние годы наблюдается серьёзный прогресс в получении новых стройматериалов с повышенными теплозащитными свойствами, разработаны технологии утепления уже построенных и эксплуатирующихся зданий. Во многих государствах, включая наше, специалисты пересматривают нормы потерь теплоты от ограждений и оконных застеклённых проёмов в окружающую среду, и, как следствие, становится меньшей необходимая температура источника тепла, например, при отоплении системой «тёплый пол» достаточно подавать воду температурой 40-45 °C, что делает более выгодным использование тепловых насосов.
Установка тепловых насосов большой мощности максимально эффективна в больших городах, где имеют место серьёзные тепловые и холодильные нагрузки в течение продолжительного периода, где остро стоит вопрос утилизации отходов, в том числе и тепловых — например, сточных вод. Климатические условия в Санкт-Петербурге, Калининграде являются наиболее близкими к скандинавским странам. Также температурные условия атмосферного воздуха в зимний период в северных странах Европы близки к значительной части территории России. В связи с этим географические области применения тепловых насосов в России могут быть существенно расширены.
Установка тепловых насосов большой мощности максимально эффективна в больших городах, где имеют место серьёзные тепловые и холодильные нагрузки в течение продолжительного периода, где остро стоит вопрос утилизации отходов, в том числе и тепловых, например, сточных вод. Климатические условия в Санкт-Петербурге, Калининграде являются наиболее близкими к скандинавским странам
На первом этапе развития систем теплоснабжения на основе тепловых насосов необходимо выбрать наиболее перспективные направления:
- крупные мегаполисы, где остро стоят экологические проблемы (такие города, как Москва и Санкт-Петербург);
- населённые пункты, где нет природного газа, где относительно дешёвая электрическая энергия и применяются котлы, работающие на электричестве (например, в Красноярске);
- населённые пункты, расположенные в южных регионах, где круглый год есть потребность в тепловой энергии (горячее водоснабжение, отопление, вентиляция) и в холоде (в том числе для кондиционирования) — к подобным населённым пунктам относятся такие города, как, например, Краснодар и Сочи.
Источниками энергии для тепловых насосов могут стать те или иные среды: речная и морская вода, грунтовые воды и сам грунт, «обратная» сетевая вода систем теплоснабжения, отработанные газы котлов, сточные воды и др. Следует разработать концепцию использования оптимальных систем с ТН для каждого из упомянутых регионов. Но тут резонно отметить, что высокая ценовая и фактическая доступность природного газа в российских условиях автоматически переводит тепловые насосы в сегмент малодоступной и дорогой техники вследствие относительно больших капитальных вложений, что ведёт к продолжительным срокам окупаемости. В ближайшей перспективе цены на газ будут увеличиваться и могут подняться до цифр, близких к мировым. Это сделает тепловые насосы гораздо более конкурентоспособными.
Для внедрения современных теплонасосов большой мощности следует обеспечить ряд сопутствующих факторов: госпрограмма целевого финансирования; законодательство, которое стимулирует применение экологически чистого и энергосберегающего оборудования; такой уровень цен на энергоресурсы, который вынуждает потребителей устанавливать и использовать энергосберегающие агрегаты.
Другой путь, но не альтернативный — это приобретение теплового насоса иностранного производства большой мощности для реализации демонстрационного проекта теплоснабжения. Такой проект может быть запущен в крупном российском городе, таком как Москва, Санкт-Петербург, Сочи, Красноярск. В условиях относительно невысоких цен на природный газ хороший эффект может дать проект по изготовлению ТН с утилизацией тепла в котле-утилизаторе и газотурбинным приводом.
Непростая регулировка тепловых нагрузок в течение суток и сезона предъявляет к системам управления тепловым насосом довольно высокие требования. Современные тепловые насосы позволяют регулировать тепловую нагрузку в диапазоне 10-100 % путём изменения расположения регулирующих элементов перед ступенями компрессора.
Кроме того, могут быть созданы различные, имеющие высокую эффективность схемы теплоснабжения с тепловыми насосами и при этом учитывающие погодные условия региона, где устанавливается техника. В отопительный период тепловому насосу выгодно обеспечивать удовлетворение потребности в базовой части тепловой нагрузки, а кратковременную пиковую можно оставить на откуп водогрейному котлу, работающему на электричестве или газе. Эффективность ТН возрастёт, если в летние месяцы он будет покрывать одновременно тепловую нагрузку, обеспечивающую горячее водоснабжение, и холодильную, предназначенную, например, для нужд кондициониров ания.
С ростом темпа внедрения тепловых насосов в энергетический сектор России становится актуальной задача подготовки квалифицированных кадров как для эксплуатации и сервиса оборудования, так и для его расчёта, моделирования и проектирования. На рис. 1 представлена возможная схема подготовки кадров в высшей школе.
В подготовке квалифицированных специалистов на сегодняшний день задействованы ведущие российские технические вузы: НИУ «МЭИ», МГТУ имени
H. Э. Баумана, СПбГУНиПТ, ИГЭУ и др. При отсутствии отдельной кафедры или направления подготовки по тепловым насосам обучение может проводиться (и проводится) в рамках базовых энергетических специальностей бакалавров и магистров: промышленная теплоэнергетика; холодильная и криогенная техника; энергетическое машиностроение; теплофизика; техническая термодинамика. После прохождения курса обучения специалист по тепловым насосам должен владеть следующими знаниями и навыками:
I. По снижению тепловых потерь зданий за счёт применения современных строительных материалов и видов изоляции (тепловые насосы не смогут эффективно снабжать теплом «дырявые» дома).
2. По расчёту систем теплоснабжения при совместной работе тепловых насосов с солнечными коллекторами, котлами на древесном и газовом топливе.
3. По расчёту систем отопления в оптимальном сочетании с системами ГВС, вентиляции и кондиционирования на основе применения тепловых насосов.
4. По применению тепловых насосов в системах с рекуперацией тепла (вентиляция, кондиционирование, водяные и канализационное стоки).
5. По применению тепловых насосов в системе отопления с тёплыми полами в сочетании с керамической плиткой и деревянными полами (например, паркетной доской).
6. По современным приборам автоматического управления систем теплоснабжения с тепловыми насосами при изменении сезонных и суточных режимов.
Учебные программы подготовки специалистов по тепловым насосам должны давать знания по современным концепциям и технологиям энергоэффективных домов: пассивный, активный, с нулевым энергопотреблением, экологичный «зелёный дом» [5, 6].
Студентам необходимо владеть навыками работы с программами расчёта тепловых насосов и систем теплоснабжения зданий и сооружений при различных режимах. Отдельно должны быть затронуты экологические аспекты подготовка кадров по тепловым насосам
При проведении лабораторных занятий необходимо опираться на современные программные комплексы, позволяющие моделировать систему энергоснабжения с тепловым насосом: Aspen One Engineering [4], Thermoflex (рис. 2), Coolpack, REFPROP, TRNSYS и др. На рис. 2 рассчитывается тепловой насос, использующий теплоту низкопотенциальных ВЭР с температурой 50 °C для подогрева обратной сетевой воды с 57,2 до 63,2 °C в системе теплоснабжения промышленного предприятия и жилых районов города. Тепловая мощность такого насоса, работающего на хладагенте R134a, составляет 7225 кВт при коэффициенте трансформации теплоты, равном 7,1.
Студентам совершенно необходимо владеть навыками работы с программами расчёта тепловых насосов и систем теплоснабжения зданий и сооружений при различных режимах.
Отдельно должны быть затронуты экологические аспекты [7] подготовка кадров по тепловым насосам в вузах. Студенты должны уметь оценивать экологический и энергосберегающий эффект от применения тепловых насосов и экологичных хладагентов. Учебные программы подготовки специалистов по тепловым насосам должны давать знания по следующим вопросам:
- хладагенты, влияющие на озоновый слой и глобальное потепление;
- хладагенты 4-го поколения с минимальным воздействием на глобальное потепление;
- экологический эффект от применения тепловых насосов во взаимосвязи с эффектом энергосбережения.
В настоящее время происходит интенсивный процесс появления новых энергосберегающих и экологичных материалов и энергоносителей, появляются новые компьютерные программы и принципиально новые типы энергетического оборудования, разрабатываются новые концепции интегрированных систем энергоснабжения и т.д. В этих условиях традиционные методы обучения в технических университетах несколько отстают от темпов развития современных систем горячего водоснабжения, отопления, вентиляции, кондиционирования, холодоснабжения индивидуальных и многоэтажных жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий.
Разработка учебных программ и введение специальности (или подспециальности) по тепловым насосам может стать своего рода катализатором и интегратором для подготовки высококвалифицированных специалистов, не только владеющих знаниями о современном энергоэффективном оборудовании, но и способными на основе системного подхода самостоятельно анализировать рынок нового энергооборудования и строить на его основе интегрированные системы энергоснабжения, в которых ТН будут занимать ключевое место.
