Тепловые насосы. 
Геотермальные установки

Эффективная утилизация низкопотенциальной теплоты окружающей среды, промышленных и бытовых стоков с решением проблем энергоснабжения и энергосбережения обеспечивается с использованием тепловых насосов.

Их вовлечение в тепловой баланс позволяет уменьшить затраты первичной энергии и способствует оздоровлению окружающей среды, практически исключая вредные выбросы.

Варианты возможного использования тепловых насосов в энергетике видны из рисунке 8 и 9.

Д — дегазатор; Р — ресорбер; К — компрессор; ДР — дроссель; Н — насос; ТО — теплообменник Рисунке 8 — Принципиальная схема утилизации теплоты уходящих газов котлов с применением контактного теплообменника ресорбционно-компрессионного теплового насоса.

К — компрессор; Т — газовая турбина; КС — камера сгорания Рисунке 10 — Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (ПНТ) с газотурбинной установкой Тепловые насосы во многих странах используются как средство теплоснабжения. Они в 3−4 раза эффективнее электрокотлов. Их общая тепловая мощность превышает на 2000 г. 30 тыс. МВт. В США эксплуатируется около 7 млн. тепловых насосов, из которых больше 50% используется для отопления коттеджей. В Германии работает около 300 000 тепловых насосов. В Швеции, где действует более 150 тысяч тепловых насосов, более широко применяются крупные тепловые насосы мощностью 20…90 МВт. Новой областью применения тепловых насосов является создание высокотемпературных теплонасосных установок открытого цикла для получения пара промышленных параметров. Применение тепловых насосов открытого цикла на водяном паре перспективно на маневренных ТЭЦ, в системах пароснабжения от крупных загородных ТЭЦ, на ТЭЦ при выпаривании солевых растворов. Перспективны также тепловые насосы при охлаждении оборотной сетевой воды в системах дальнего транспорта тепла и утилизации теплоты дымовых газов. В России разработкой и внедрением тепловых насосов занимается СО РАН (институт теплофизики), ОАО «Иркутскэнерго». Изготавливаются тепловые насосы в Новосибирске, Москве, Нижнем Новгороде.

Тепловые насосы могут быть использованы в комбинированных системах теплоснабжения в технологии с «удаленным источником теплоты» установках. В качестве таких внутриквартальных теплонасосных установок могут применяться компрессионные (КВТН) и абсорбционные (АВТН) тепловые насосы. В целом, системная экономия топлива в схемах ТЭЦ-КВТН может достигать 6% по сравнению с раздельной выработкой энергии [18, 19, 20].

На рисунке 11 показана схема компрессионного внутриквартального компрессионного насоса (КВТН).

Сетевая вода от ТЭЦ (в виде низкопотенциального тепла) поступает в испаритель 1, где испаряется рабочее тело (например, фреон). Его пары поступают в компрессор 7, где при сжатии нагреваются до 80…90 С и направляются в конденсатор 4, в который подается вода внутриквартального контура 6. Часть тепла используется в теплообменнике 3 для подогрева воды в системе горячего водоснабжения. Жидкое рабочее тело проходит через дроссель 2 и направляется снова в испаритель.

1 — испаритель; 2 — дроссель; 3 — теплообменник; 4 — конденсатор; 5, 6 — линии внутриквартальной сетевой воды (5 — прямой, 6 — обратной); 7 — компрессор; 8 — подвод сетевой воды от ТЭЦ Рисунок 11 — Схема КВТН Из абсорбционных внутриквартальных тепловых насосов (АВТН) в схеме энергоснабжения (АВТН) могут использоваться бромисто-литиевые насосы. На рисунке 12 показана схема бромисто-литиевого теплового насоса. В испарителе 1 насоса при пониженном давлении (соответствующей температуре сетевой воды 2 от ТЭЦ, которая является низкопотенциальным энергоносителем) испаряется вода. Ее пары поступают в абсорбер 3, где поглощаются раствором бромистого лития. Происходит разогрев раствора за счет теплоты этой реакции. Это тепло передается сетевой воде внутриквартального контура 6. Слабый раствор (водный раствор бромистого лития) подводится в генератор 4, обогреваемый дымовыми газами из камеры сгорания 8. В генераторе вода из раствора выпаривается. Пары поступают в конденсатор 5, где конденсируясь, отдают тепло сетевой воде внутриквартального контура. Конденсат из конденсатора поступает в испаритель. Образовавшийся в генераторе крепкий раствор бромистого лития направляется в абсорбер и цикл повторяется.

1 — испаритель; 2 — подвод сетевой воды от ТЭЦ; 3 — абсорбер; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — сетевая вода внутриквартального контура; 7 — пар; 8 — камера сгорания; 9 — бромисто-литиевый контур; Г — природный газ Рисунок 12 — Схема ВТН На рисунке 13 показана тепловая схема ТЭЦ с теплонасосными внутриквартальными теплофикационными схемами. Основные преимущества перед системами энергоснабжения потребителей от традиционных ТЭЦ следующие:

• — Энергосберегающая технология. По этой технологии ВТН вытесняет пиковые водогрейные котлы (ПВК) на ТЭЦ, участвуя в покрытии полупиковой и пиковой частях нагрузки теплового графика, так как КПД ВТН выше КПД ПВК в системе экономии топлива на этих режимах энергоснабжения.
• — Применение ВТН-технологии обусловливает переход ТЭЦ с нормативного температурного графика к графику с пониженными температурами прямой и обратной сетевой воды при теплофикационной нагрузке, составляющей 0,65…0,75 от нагрузки по традиционному тепловому графику. Это также вызывает экономию топлива в системе и экономию электроэнергии на сетевые насосы (коэффициент собственных нужд ТЭЦ снижается на 0,5%). За счет перехода на пониженный температурный график почти в 2 раза уменьшаются теплопотери в магистральных теплопроводах и возрастает КПД транспорта теплоты. Это также приводит к экономии топлива.
• — Снижение температуры прямой сетевой воды до 50…70 обусловливает уменьшение давления в теплофикационном отборе и, как следствие, увеличение выработки электроэнергии комбинированным способом, что вызывает экономию топлива и служит аварийным резервом в энергосистеме.
• — Применение ВТН является затратосберегающей технологией. Переход на более низкие температуры сетевой воды в магистральных теплопроводах позволяет использовать для них более дешевые трубы из синтетических материалов, не подверженных коррозии и с долговечностью до 50 лет. При этом принципиально исключаются аварийные режимы со вскипанием сетевой воды. Отпадает необходимость в домовых тепловых пунктах, поскольку сетевая вода может поступать непосредственно в отопительные радиаторы.

N, Q — потребители электрои теплоэнергии соответственно; у, г — пылеугольное и газовое топливо соответственно; 1 — генератор внутриквартального пикорегулирующего абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса (ВТН); 2, 3, 4 — испаритель, абсорбер, теплообменник ВТН; 5 — бромистолитиевый контур; 6 — теплофикационный контур; 7 — линия добавочной воды; 8,9 — линии прямой и обратной сетевой воды от ТЭЦ; 10, 11 — тепловые сети подключений ВТН к сетевой воде; 12 — жалюзийная решетка; 13 — конденсатор ВТН Рисунок 13 — Тепловая схема ТЭЦ с теплонасосными теплофикационными системами В этом случае капиталовложения в целом уменьшаются в 1,5 раза по сравнению с традиционным вариантом. За счет ВТН существенно снижаются сроки ввода теплогенерирующих мощностей. Установка ВТН может рассматриваться по схеме крытых котельных.

Технология с ВТН обеспечивает повышение надежности в системе теплоснабжения. ТЭЦ ВТН обеспечивает структурное резервирование теплопотребителей при авариях на магистральных теплопроводах (МТ). Коэффициент готовности традиционной последовательной структуры ТЭЦ ПВК-МТ не превышает 0,8. Система ТЭЦ-МТ-ВТН является последовательно-параллельной структурой и ее коэффициент готовности оценивается в 0,9 (при прочих равных условиях). Кроме того, на уровне ВТН возможно качественное регулирование в системе теплоснабжения.

Технология с ВТН является энергообеспечивающей. Валовые выбросы вредных веществ уменьшаются за счет экономии топлива. Кроме этого, ВТН отключают летом, улучшая экологию в ареале функционирования. Экономия (снижение расхода) топлива в технологии с ВТН составляет, где , — расходы топлива при традиционной технологии с ПВК; и — расходы топлива на ТЭЦ с ВТН; - расход топлива на замещающей электростанции.