6.1. Знакомимся с геотермальной энергетикой

Достоинства и недостатки

#o.jpg_5   Определение.

Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в недрах Земли.

Востребованность геотермальной энергии обусловлена такими факторами:

♦ истощением запасов органического топлива;

♦ зависимостью большинства развитых стран от импорта топлива (в основном импорта нефти и газа);

♦ существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.

Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

♦ месторождения геотермального, сухого пара— сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

♦ источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) — встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

♦ месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) — представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

♦ сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) — их запасы энергии наиболее велики;

♦ магма, представляющая собой нагретые до 1300 °C расплавленные горные породы.

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры):

♦ для нужд горячего водо- и теплоснабжения;

♦ для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей.

Кроме того следует отметить:

♦ ее практическую неиссякаемость;

♦ полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем.

♦ Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т. п.).

♦ Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т. п.

♦ Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140–150 °C, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии.

Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100 °C, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей ().

Область применения геотермальной воды при ее температуре, °С:

♦ выработка электроэнергии… более 140 °C;

♦ системы отопления зданий и сооружений… менее 100 °C;

♦ системы горячего водоснабжения… 60 °C;

♦ системы геотермального теплоснабжения теплиц… менее 60 °C;

♦ геотермальные холодильные установки менее… 60 °C.

#v.jpg_48   Примечание.

Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании.

Также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Преимуществом геотермальной энергетики является ее практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО2, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВт/ч).

Недостатки геотермальной энергии:

♦ необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт.

♦ высокая минерализация термальных вод большинства месторождений

♦ наличие в воде токсичных соединений и металлов.

#m.jpg_8   Внимание.

Эти недостатки, в большинстве случаев, исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы.

Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты:

♦ на бурение скважин;

♦ обратную закачку отработанной геотермальной воды;

♦ на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Говоря о недостатках, следует отметить, что тепло Земли очень «рассеянно», и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1 % общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.

Перспективы развития

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. Поэтому геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80 °C, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с этим ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом, в первую очередь в США, мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Hot-Dry-Rock технология. Еще более впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС — так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий «гейзер».

Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру.

По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270 °C, и поэтому если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность.

После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл, таким образом, повторится.

Принципиальная схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd., приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd

Безусловно, реализовать эту технологию можно не в любом месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270 °C. При применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50 °C по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270–300 °C. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветряной энергии и в 8—10 раз дешевле солнечной.

 

6.2. Схемы геотермальных энергоустановок

Способы получения энергии на ГеоТЭС

#o.jpg_6   Определение.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС)  — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;

♦ непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

♦ смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

Паротурбинные геотермальные энергоустановки

В качестве преобразователей тепловой энергии геотермального теплоносителя в техническую работу в настоящее время могут использоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки. Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недостатков, которые будут рассмотрены ниже (отмечает Дорош И.А. на ).

При прямой схеме геотермальный теплоноситель в виде пара из скважины направляется по трубам непосредственно в турбину. После турбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар идут для теплофикации.

При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных (сильно коррозирующих) газов.

При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в турбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не растворившиеся в ней газы.

При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидротермы), паротурбинные установки выполняются:

♦ одноконтурными;

♦ двухконтурными.

В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и открытой (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоносителя путем его расширения в специальных расширителях — сепараторах. Они еще называются парогенераторами.

При заданных параметрах геотермального теплоносителя одноконтурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее тело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установках. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице расхода геотермального теплоносителя). Принципиальная схема установки изображена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя

При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуатационной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние механические примеси.

Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от солеотложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор, который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддерживается такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только нерастворенные газы, в том числе и углекислый газ, удаляемые из дегазатор через сбросной клапан в атмосферу или для промышленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ не оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается.

После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выделяются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступени дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась большая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторождения оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой поступают в осветлитель, где за счет специально организованного движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем удаляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода подается в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе до давления Рр и температуры Тр. В результате этого часть ее превращается в пар.

Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплоносителя на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбину. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.

В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобразуя свою потенциальную энергию в техническую работу, которая с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в конденсатор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет передачи теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни. Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется для других целей.

Несмотря на большой прогресс и положительные результаты в решении проблемы солеотложения на поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводах геотермального теплоносителя, пока еще нет четких отработанных технологий его использования в одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой связи предпочтительны двухконтурные паротурбинные установки, которые лишены этого недостатка. Правда, использование двухконтурных паротурбинных установок снижает параметры пара рабочего тела на входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощности и КПД, существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на эксплуатацию ГеоТЭС.

Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки

Турбокомпрессорные геотермальные установки могут работать по закрытому и открытому циклам, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

В установках закрытого цикла газовая составляющая парогазового потока циркулирует по закрытому контуру. Поэтому при ее выборе руководствуются максимальной термодинамической эффективностью цикла.

В установках открытого цикла парогазовый поток непрерывно выбрасывается в атмосферу. Поэтому в качестве газовой составляющей здесь используется только воздух.

Процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках

Как сказано выше, что для получения максимальной работы, а, следовательно, и максимальной эффективности паротурбинной геотермальной установки необходимо расширение геотермальной воды до вполне определенной температуры.

Введение многоступенчатого расширения геотермального теплоносителя, не позволяет добиться существенного сокращения потерь с уходящей из парогенератора водой. Не дает возможность снизить эти потери в должной мере и применение в цикле паротурбинной установки в качестве рабочего тела низкокипящего вещества.

Таким образом, в геотермальной энергоустановке с паротурбинным преобразователем энергии на генерацию рабочего тела (пара) отводится меньшая часть тепловой энергии геотермального теплоносителя, причем эта часть тем меньше, чем ниже температура геотермального теплоносителя.

Учитывая, что большинство самоизливающихся источников имеет температуру теплоносителя около 373 К, а проекты скважин рассчитаны на температуру около 423–473 К (например, температура воды на выходе из скважины ПЦС Каясулинского месторождения составляет 110 К), потери теплоты со сбрасываемой водой требуют существенного сокращения (отмечает Дорош И.А. на ).

Один из способов уменьшения этих потерь описан ниже. Согласно этому способу, пар из насыщенной воды генерируется не в «чисто» паровой среде, а в газовом (воздушном) потоке. Если предварительно нагретую жидкость подать в диспергированном виде в газовый ненасыщенный поток высокого давления, как показано на рис. 6.3, то по закону равновесного состояния парогазожидкостных смесей, капли жидкости под действием движущихся сил теплового и массового обмена начнут охлаждаться, стремясь к температуре термодинамического равновесия, которой является температура мокрого термометра. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на парообразование.

Рис. 6.3. Противоточное ( а ) и попутное ( б ) движения воды и газа в контактном теплообменном аппарате

При генерации пара в газовом потоке, вода охлаждается температуры термодинамического равновесия, которая значительно ниже температуры насыщения при том же давлении среды. Это позволяет существенно повысить температурный перепад воды, срабатываемый в парогенераторе, и соответственно увеличить количество генерируемого пара, что способствует более высокой эффективности турбокомпрессорных геотермальных установок по сравнению с паротурбинными.

Установки закрытого цикла

Принципиальная схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла изображена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла

При работе установки парогазовый поток с высоким паросодержанием поступает в конденсатор, куда с другой стороны насосом из градирни подается охлаждающая вода. При их контакте вследствие конденсации парогазовый поток осушивается, и с малым паросодержанием направляется в компрессор. Там он сжимается в политропном процессе за счет подведенной от турбины работы. При этом паросодержание потока остается постоянным, но его относительная влажность уменьшается.

После компрессора сжатый газ при давлении Р2 и температуре Т2 поступает в нижнюю часть парогенератора. А в верхнюю часть парогенератора во встречном направлении газовому потоку насосом в диспергированном виде подается цикловая вода, предварительно подогретая в теплообменнике геотермальным теплоносителем, подаваемым из эксплуатационной скважины. После теплообменника геотермальный теплоноситель насосом направляется в нагнетательную скважину.

#v.jpg_49   Примечание.

В отличие от одноконтурных паротурбинных геотермальных установок в рассматриваемой турбокомпрессорной установке нет необходимости в процессе дегазации геотермального теплоносителя для уменьшения содержания несконденсировавшихся газов в конденсаторе и стабилизации рассола.

Здесь, подобно двухконтурным установкам, процесс передачи теплоты от геотермального теплоносителя в теплообменнике может осуществляться без понижения его давления. Это исключает нарушение углекислого равновесии, а, следовательно, и выпадение солей.

Для повышения КПД установки на выходе из теплообменника можно установить дегазатор. В этом случай выделившийся газ направляется в парогенератор и служит источником дополнительного рабочего тела цикла, на которое не затрачивается работа сжатия.

Одновременно он вместе с цикловым газом создает газовую среду для испарения жидкости. Правда, в этом случае часть циклового газа необходимо постоянно выбрасывать атмосферу для поддержания материального баланса, причем цикловой газ по составу должен быть идентичным газу, содержащемуся в геотермальной воде.

Установки открытого цикла

Турбокомпрессорная геотермальная установка закрытого цикла, рассмотренная выше, позволяющая значительно снизить потери теплоты за счет недоохлаждения воды в парогенераторе. Однако она обладает рядом крупных недостатков, которые препятствуют ее реализации. Эти недостатки, связанные со сложностью конструкции и низкими значениями полезной удельной работы, устраняются в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла.

В качестве холодного источника в этих установках используется окружающая атмосфера, поэтому они не требуют конденсатора и градирни с обслуживающими их агрегатами. Кроме того, турбокомпрессорные установки открытого цикла не нуждаются в специальных регулирующих устройствах, поддерживающих заданную массу несконденсировавщегося газа в цикле. Это необходимо для установок закрытого цикла. А их тепловая схема позволяет в полной мере использовать газ, содержащийся в геотермальном теплоносителе, что существенно повышает эффективность использования геотермальной энергии.

Безусловно, реализация турбокомпрессорной установки открытого цикла связана с основной сложностью непосредственного использования минерализованных геотермальных вод в цикле, заключающейся в трудности удаления солеотложений.

Однако последние научные исследования, выполненные в этом направлении, показывают, что процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках за счет соответствующего повышения давления за компрессором можно производить без нарушения углекислотного равновесия геотермального теплоносителя.

Это позволяет избежать выпадения солей кальция и магния, создающих основную минерализацию воды.

Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла изображена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла

Воздух непосредственно из атмосферы (холодного источника) забирается компрессором, сжимается и поступает в парогенератор, куда с другой стороны из эксплуатационной скважины подается геотермальная вода. При контакте газообразной и жидкой фаз, по описанной выше схеме, происходит насыщение воздуха паром за счет охлаждения воды. Одновременно при этом паровоздушная смесь разбавляется газом, выделяющимся из геотермальной воды вследствие понижения ее давления.

Охлажденная в парогенераторе вода забирается насосом и направляется в скважину. Полученная паровоздушная смесь направляется в турбину, где, расширяясь, выполняет техническую работу и далее направляется в окружающую атмосферу, отдавая теплоту холодному источнику.

Процессы сжатия потока в компрессоре, генерации пара и расширения в турбине идентичны с процессами турбокомпрессорной установки закрытого цикла и совершаются в агрегатах установки. А вот процесс передачи теплоты холодному источнику (окружающей среде) совершается за пределами установки. Это исключает необходимость в конденсаторе и обслуживающих его элементах (градирне и насосах охлаждающей воды), не требуя холодного источника с жидким рабочим телом.

#v.jpg_50   Примечание.

Существенные отличия рассматриваемых установок— в возможностях использования потенциальной энергии газа, содержащегося в геотермальной воде и выделяющегося при расширении в парогенераторе или в специально предназначенном для этой цели дегазаторе.

В установках закрытого цикла этот газ должен удаляться из цикла, как уже упоминалось выше, для поддержания в нем постоянного расхода несконденсировавшегося рабочего тела. Поэтому, расширяясь в турбине, он совершает полезную работу. Но затем при отсосе из конденсатора и сжатии его до атмосферного давления для возможности удаления в окружающую среду, требует затрат полезной работы, т. е. компенсации.

Использование же потенциальной энергии газа, выделяющегося из геотермальной воды, в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла не требует компенсации и является «чистой» добавкой работе, совершаемой паром.

Из рассмотренного следует, что турбокомпрессорная геотермальная установка открытого цикла аналогично установке закрытого цикла позволяет значительно глубже использовать теплоту геотермальной воды по сравнению с паротурбинной установкой.

Одновременно она обладает намного меньшей сложностью и металлоемкостью, а использование в качестве холодного источника атмосферы обещает, ей хорошую перспективу как тепловому двигателю, т. е. преобразователю геотермальной энергии воды в механическую работу.

 

6.3. Геотермальные тепловые насосы

Что такое низкопотенциальная энергия Земли

Низкопотенциальная энергия Земли (НГР) — это тепло грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированная в поверхностных слоях земной коры.

Эта энергия может с успехом использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов ().

Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы. Пример использования теплового насоса в доме приведен на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Пример использования теплового насоса в доме

#o.jpg_7   Определение.

Геотермальные тепловые насосы (ГТН)  — это устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.

Идея теплового насоса высказана полтора века назад британским физиком Уильямом Томсоном (более известный как лорд Кельвин). Это придуманное им устройство он назвал «умножителем тепла».

Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.

На сегодняшний день используются:

♦ парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН), работающие на хладонах;

♦ адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития.

#v.jpg_51   Примечание.

Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции АТН не получили распространения.

Принцип роботы парокомпрессионного теплового насоса

Тепловой насос — это «холодильник наоборот», отмечается на . В обоих устройствах основными элементами являются испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует поток хладагента.

Хладагенты — это вещества, способного кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла, на жидкое — в другой. Просто в холодильнике главная партия отводится испарителю и отбору тепла, а в тепловом насосе — конденсатору и передаче тепла.

Функция бытового холодильника сводится к охлаждению продуктов, и его сердцем является теплоизолированная камера, откуда тепло «откачивается» (отбирается кипящим в теплообменнике-испарителе хладагентом) и через теплообменник-конденсатор «выбрасывается» в помещение (задняя стенка холодильника довольно теплая на ощупь).

В тепловом насосе главным становится теплообменник, с которого тепло «снимается» и используется для обогрева дома, а второстепенная «морозилка» размещается за пределами здания.

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из замкнутых контуров.

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду (например, полиэтиленовый) трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия.

Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл выглядит так (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема работы теплового насоса

Жидкость хладагента продавливается через дроссель, ее давление падает, и она поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь происходит процесс получение теплоты — теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5–6 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. В этом состоит одно из важнейших отличий теплового насоса от традиционных (топливных) источников тепла, в которых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то смысле «привязан» к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу.

Эта проблема может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Источники энергии

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора — 0,8…1 м.

Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350–450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20x20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения.

Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в качестве источника тепла используется скалистая порода, трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в качестве скважин используют фундаментные сваи.

Ориентировочно на 1 пог. м скважины приходится 50–60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 м.

Существенно снизить необходимую глубину скважины и увеличить отбор тепловой энергии до 700 Вт на на 1 пог. м скважины позволяет применение активного контура «Fill well» первичного преобразователя теплового насоса (необходимым условием является наличие обводненого горизонта вскрываемого скважиной).

Среди тепловых насосов, использующих тепло поверхностного слоя земли, выделяется система EarthLinked® с подземным медным теплообменником DIRECT AXXESS®.

Хладагент подается непосредственно к источнику земного типа, что обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы. Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40–60 мм пробуренные вертикально либо под уклоном до глубины 15–30 м.

Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего несколько квадратных метров, не требует установки промежуточного теплообменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Этот вариант принято считать идеальным: не слишком длинный внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза.

Для получения тепла из теплого воздуха (например, из вытяжки системы вентиляции) используется специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях.

Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчетного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель (тен).

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов, в первую очередь, следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт-ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2–0,35 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, теплонасос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Он не требует специальной вентиляции помещений и абсолютно безопасен. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фанкойлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — ив быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок.

КПД тепловых насосов

Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источники энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 % низкопотенциальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закон сохранения энергии.

Поэтому применение тепловых насосов для обогрева помещений гораздо эффективнее газовых котлов. Современные газотурбинные установки на электростанциях имеют КПД, существенно превышающий КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики на современное оборудование и при применении тепловых насосов можно получить экономию газа до 10 раз в сравнении с газовыми котлами.

Перспективы использования тепловых насосов

Широкому распространению теплонасосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300—1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4–9 лет, а служат теплонасосы по 15–20 лет до капремонта.

Еще более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Ограничения применимости тепловых насосов

При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в системах отопления домов за счет откачки тепла от наружного воздуха — около -15…-20 °C). Для решения этой проблемы применяются системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод) через тейлонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.

Индивидуальное отопление (отопление квартир)

Наиболее простой вариант — использование моноблочных модулей «воздух-вода». К примеру, отопление и горячее водоснабжение двухкомнатной квартиры площадью 60 м2 может вполне обеспечить модуль номинальной мощностью 4,5 кВт. Для южных регионов Украины такой модуль обеспечит среднесезонный отопительный коэффициент порядка 2,75.

Кроме того, потребитель дополнительно получает бесплатную систему кондиционирования, которая обеспечит его и бесплатной горячей водой в летнее время. Еще более эффективным станет применение системы индивидуального отопления с помощью ТН в случае введения тарифов централизованного теплоснабжения, дифференцированных по температуре теплоносителя. Использование ТН для догрева теплоносителей до нужной температуры позволит снизить стоимость единицы потребляемой тепловой энергии в 6…8 раз по сравнению с централизованными системами теплоснабжения.

Грунтовый зонд

Мировая практика использования парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов насчитывает уже около 50 лет. Главными драйверами мирового рынка стали удорожание цен на традиционные энергоносители и государственное стимулирование их потребления. Объем мирового рынка парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов, который на протяжении последних 10 лет ежегодно увеличивался на 10–30 %, к 2011 году достиг 300 тыс. шт. Основную часть мирового рынка составляют ПТН типа «грунт-вода/воздух».

Аккумулированное грунтом тепло передается с помощью теплоносителя (рассола), через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды рис. 6.8) и подается в испаритель теплообменника теплового насоса.

Рис 6.8. Грунтовый зонд

В испарителе хладагент теплового насоса, нагреваясь от рассола до температуры 6–8 °C, закипает и испаряется, забирая тепло от рассола. Охлажденный рассол, закачиваемый насосом, поступает в грунтовый зонд, где нагревается, забирая тепло от грунта. Образовавшийся пар из испарителя поступает в компрессор, где происходит процесс сжатия пара. Пар переходит в жидкое состояние, выделяя большое количество тепла. Температура жидкости в компрессоре подымается до 35–70 °C. Эта температура в теплообменнике конденсатора передается рабочей жидкости отопительного контура.

Проходя через сбросной клапан, сбрасывающий давление, хлодоген мгновенно охлаждается и снова попадает в испаритель, замыкая цикл. Рабочая жидкость, нагретая в теплообменнике испарителя, поступает в тепловой аккумулятор (буферная емкость), необходимый для накопления тепловой энергии и стабилизации работы теплового насоса (уменьшается частота включений). Далее нагретая рабочая жидкость используется в отопительных контурах. Для приготовления санитарной воды контура горячего водоснабжения используется высокоэффективный бойлер косвенного нагрева.

Тепловые насосы в вопросах и ответах

• По каким причинам следует выбирать тепловой насос?

Универсальность. Подходит для использования как в промышленном, так и в частном строительстве. Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента полезного действия (КПД). Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки. Надежность. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет. Комфорт. Работает практически бесшумно (не громче холодильника). Гибкость. Совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.

• Какой принцип действия теплового насоса?

Тепловой насос — это устройство, которое температуру окружающей среды (земли, воды, воздуха) преобразует в высокую температуру, которая используется для отопления и производства горячей воды. Тепло забирается из земли через пластиковый трубопровод.

В трубах циркулирует незамерзающая жидкость, которая передает собранное тепло в испаритель теплового насоса. В испарителе незамерзающая жидкость отдает свою энергию фреону, который преобразуется в пар и сжимается в компрессоре. Из-за резкого увеличения давления температура паров фреона резко поднимется.

Далее горячие пары попадают в конденсатор, где передают тепло в тепловую систему. Остывшая незамерзающая жидкость по трубам возвращается в грунт, где далее собирает тепло. Энергия используется только для переноса тепла, поэтому этот способ обогрева является одним из самых дешевых. По такому же принципу работает холодильник, только здесь тепло забирает изнутри и передается в окружающую среду через решетки находящиеся на задней стенке холодильника.

• Какая жидкость циркулирует в коллекторе?

В коллекторе циркулирует незамерзающая жидкость. Основой жидкости может быть этанол или гликоль. Основное требование к жидкости — температура замерзания должна быть не выше -16 °C.

• Какая труба используется для коллектора?

Для коллектора используется полиэтиленовая труба, которая не ржавеет, не гниет — поэтому такая система долговечна. Диаметр трубы — 40 мм.

• На какую глубину закапывается коллектор?

Производитель рекомендует закапывать коллектор на глубину 2 метра и более. На такой глубине тепла достаточно в течение круглого года, и тепловой насос работает эффективно. Таким образом, обеспечивается нормальная температура работы коллектора необходимая для работы теплового насоса (от -5 °C до + 20 °C).

• Что лучше — скважина или горизонтальный коллектор?

Большинство тепловых насосов монтируются с горизонтальным коллектором. Из-за высокой цены скважина, как источник тепла, используется там, где недостаточно места для установки горизонтального коллектора, а так же если участок у дома уже приведен в порядок.

• От чего зависит длина коллектора или глубина скважины?

Длина коллектора или глубина скважины зависит от тепловых особенностей дома — теплопотери, внутренней системы отопления, мощности выбранного теплонасоса и особенностей грунта.

• Какая площадь участка требуется для укладки коллектора?

Обычный горизонтальный коллектор занимает площадь в 2–3 раза больше отапливаемой площади дома.

• Растет ли трава на том месте, где закопан коллектор?

Коллектор не влияет на произрастающую над ним растительность. В местах, где планируется посадка деревьев, рекомендуется коллектор закопать поглубже. На месте где закопан коллектор, строительство запрещено.

• Можно ли использовать одну и ту же скважину и для теплового насоса и для питьевой воды?

Для теплового насоса и для питьевой воды необходимы разные скважины, так как их оборудуют по разным принципам. Тепловой насос охлаждает скважину, и было бы не рационально ту же самую воду дома нагревать.

• Сколько места занимает котельная с тепловым насосом?

Для установки теплового насоса достаточно небольшого помещения, например, для наиболее популярного Fighter 1220 с трубами достаточно нескольких квадратных метров. Если выбран тепловой насос с отдельным бойлером необходима несколько большая квадратура (примерно 4–6 м2, в зависимости от конфигурации котельной).

• Какие требования предъявляются к котельной?

Никаких специальных требований нет. Нет необходимости в наличии окон, дымохода. Поэтому, уже проектируя дом не обязательно предусматривать котельную у наружной стены. Однако не рекомендуется устанавливать тепловой насос у стены, за которой находится спальня.

• Громко ли работает тепловой насос?

Конструкция тепловых насосов такова, что компрессор и холодильная часть находятся в отдельном корпусе. Это означает, что компрессор теплового насоса помещен в двойном корпусе, что обеспечивает низкий уровень шума.

• Какое напряжение необходимо для теплового насоса?

Тепловому насосу требуется трехфазный электрический привод, однако некоторые модели могут использовать напряжение в 220 В.

• Что происходит с тепловым насосом при перепаде напряжения?

При исчезновении, а затем при появлении напряжения, тепловые насосы включатся, и далее будут работать в том же режиме, как и ранее. Все ранее заданные параметры сохраняются.

• Можно ли отапливать одним тепловым насосом несколько отдельных домов?

Технически это возможно, но невозможно будет обсчитать использованное отдельными домами тепло, т. к. затраты на тепло зависят не только от площади отапливаемого помещения, но и от термических характеристик дома — отопительной системы, поддерживаемой в комнатах температуры, использования горячей воды.

• Какую максимальную температуру в отопительной системе может обеспечить тепловой насос?

Максимальная температура в отопительной системе достигаемая с помощью компрессора 55–70 °C, в зависимости от модели теплового насоса.

• Какую отопительную систему лучше выбрать для дома, используя тепловой насос?

Так как эффективность теплового насоса зависит от температуры, подаваемой в отопительную систему и от температуры, получаемой из грунта, лучше выбирать низкотемпературную отопительную систему. Наиболее эффективно тепловой насос работает, если в доме установлена напольная система отопления.

• Готовят ли тепловые насосы горячую воду?

Тепловые насосы отапливают помещения и готовят горячую воду. При помощи компрессора температура горячей воды может повышаться до 65 °C, при помощи электрического ТЭНа до 80 °C.

• Требуется ли техническое обслуживание и сколько оно стоит?

Никакого специального обслуживания тепловой насос не требует, поэтому никаких дополнительных расходов с ним не связано.

• Сколько времени будет служить тепловой насос?

Срок службы теплового насоса рассчитан на продолжительную работу — без проблем он должен прослужить не менее 20 лет.

• Можно ли тепловыми насосами подогревать воду в бассейне?

Тепловые насосы содержат такую функцию, а также функцию контроля процесса обогрева.

• Можно ли управлять тепловыми насосами на расстоянии?

Смонтировав дополнительное устройство, тепловыми насосами можно управлять через Интернет и GSM. Это особенно актуально, если тепловой насос смонтирован в усадьбе и более высокая температура нужна изредка.

• Для чего нужен электрический ТЭН в тепловом насосе?

Электрический ТЭН в тепловом насосе может быть использован как источник энергии, когда вся система смонтирована, кроме коллектора, — тогда тепловой насос работал бы как электрический котел. При помощи электрического тэна мойсно так же повысить температуру горячей воды до 80 °C (при помощи компрессора — 65 °C).

Так же можно увеличить количество горячей воды или дезинфицировать бойлер, чтобы избежать развития болезнетворных бактерий. Повышение температуры горячей воды может осуществляться периодически, установив временной интервал и необходимую температуру в тепловом насосе, или в случае необходимости одноразового производства большего количества горячей воды.

Электрический ТЭН может быть использован и как вспомогательный инструмент обогрева, в том случае, если изменяется потребность в тепле — например, при увеличении отапливаемой площади помещения.

В этом случае нет необходимости в реконструкции системы отопления, дополнительное количество тепла можно получить при помощи электроэнергии Максимальная мощность электрического тэна устанавливается 3,6 или 9 кВт, в зависимости от мощности электропроводки и потребности потребителя. Установленная мощность включается постепенно, в зависимости от потребности, 3 уровнями — например, если установлено 6 кВт то будет включаться 2+2+2 кВт.

• Может быть лучше выбрать более мощный тепловой насос?

Тепловой насос нужно подбирать в зависимости от отапливаемой площади помещения. Более мощный насос будет работать не эффективно, кроме того, установка более мощного насоса повлечет дополнительные финансовые затраты.

• Можно ли самому смонтировать тепловой насос?

Да.

• Какими недостатками обладает отопительная система с тепловым насосом?

Отопительная система с тепловым насосом одна из самых передовых. Влияние на выбор оказывает условно высокая начальная инвестиция, однако это один из самых дешевых способов отопления и сроки окупаемости системы достаточно короткие.