Тепловые насосы (ТН) представляют собой одно из перспективных направлений в области энергетики, обеспечивая эффективное преобразование и использование тепловой энергии. Их история начинается в середине XX века, когда концепция ТН была впервые разработана и внедрена в практику.

Современные ТН отличаются высокой эффективностью и способностью работать в различных климатических условиях, являясь одним из наиболее перспективных направлений в области энергосбережения. Первый тепловой насос, который был назван «умножителем тепла», был предложен Кельвином еще в 1852 году. Однако патент на технологию ТН был выдан только в 1912 году в Швейцарии. В 20-х годах XX века в Англии была создана первая тепловая насосная установка для отопления и горячего водоснабжения, использующая тепловую энергию окружающего воздуха.

В течение XX века развитие тепловых насосов можно разделить на несколько основных периодов. С 1927 по 1946 год происходило изобретение экспериментальных неэкономичных установок. С 1947 по 1962 год наблюдалось развитие, массовое производство и широкое внедрение реверсивных тепловых насосов – круглогодичных кондиционеров. С 1963 по 1971 год произошло резкое падение спроса на технологию ТН в Европе. Начиная с 1972 года интерес к тепловым насосам возобновился, и разработки в этом направлении продолжаются по настоящее время [1].

Тепловой насос представляет собой установку для переноса теплоты с низкого уровня на более высокий за счет внешнего подвода энергии или работы в цикле. Основное применение заключается в централизованном или индивидуальном теплоснабжении для повышения ее эффективности.

Применение ТН в системах отопления зданий позволит поддерживать температуру воздуха в отапливаемых помещениях в автоматическом режиме. При этом регулирование тепловой нагрузки будет осуществляться по температуре внутреннего воздуха, а не наружного, как это происходит в системах с погодным регулированием [2]. Использование тепловых насосов в системе теплоснабжения имеет несколько преимуществ. Во-первых, ТН могут использовать различные источники энергии, такие как воздух, вода или грунт, что делает их универсальными. Во-вторых, ТН обладают высокой эффективностью, так как они переносят тепловую энергию из низкотемпературной среды в высокотемпературную среду с использованием минимального количества энергии, что позволяет снизить затраты. В-третьих, ТН обеспечивают стабильный и непрерывный источник тепловой энергии, что является важным для обеспечения комфортных условий в зданиях [3].

Различают парокомпрессионные и абсорбционные тепловые насосы. Простейшая компоновка парокомпрессионных тепловых насосов (ПТН) включает четыре элемента: И – испаритель, КМ – компрессор, К – конденсатор и ДВ – дросселирующий вентиль. На простейшей схеме ПТН видно (рисунок 1), как хладагент проходит через различные стадии цикла.

Источник низкопотенциальной теплоты охлаждается за счет кипения (испарения) в трубном пространстве испарителя хладона, который представляет собой низкокипящие фторхлорсодержащие углеводороды, известные как фреоны. Пары фреона из испарителя постоянно отсасываются компрессором, который сжимает подогретые пары фреона до давления конденсации и направляет их в межтрубное пространство конденсатора. В трубное пространство конденсатора поступает нагреваемая среда. На наружной поверхности труб в межтрубном пространстве пары фреона охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкость, которая затем поступает в переохладитель жидкого хладона, где охлаждается за счет теплообмена с нагреваемой средой. Далее жидкий фреон дросселируется в регулирующем устройстве, понижая свое давление и температуру до давления и температуры в испарителе. Образовавшаяся парожидкостная смесь закипает в испарителе, и пары фреона отсасываются компрессором, замыкая цикл рабочего тела ПТН.

Рисунок 1. Простейшая схема парокомпрессионного теплового насоса

Эффективность применения тепловых насосов определяется коэффициентом преобразования энергии (КПЭ), который является отношением отпущенной теплоты в конденсаторе к затраченной электроэнергии на привод компрессора [4]. В теории КПЭ должен быть больше 1, чтобы считаться эффективным, но на практике рабочий диапазон КПЭ ТУ находится в пределах от 3 до 7. Для более мощных тепловых насосных установок применяют схему с промежуточным теплообменником, где горячий фреон после конденсатора нагревает холодный фреон после испарителя (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема и цикл теплового насоса с промежуточным теплообменником

Такие схемы используются в случаях, когда необходимо повысить температурный уровень нагреваемой среды на выходе при неизменной температуре испарения. При этом КПЭ может начать падать, если степень повышения давления в компрессоре превышает значение 7. В таких случаях применяют две ступени компрессии, схема которой представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема ТУ с двухступенчатым сжатием, где КНС – компрессор нижней ступени, КВС – компрессор верхней ступени

Еще одним вариантом является каскадная схема (рисунок 4), представляющая собой два последовательных ТН, соединенных между собой промежуточным теплообменником, который для нижнего цикла является конденсатором, а для верхнего – испарителем. Данное решение позволяет поднять температурный уровень для потребителя тепловой энергии [5]. Эффективность данной схемы перед многоступенчатыми заключается в том, что для каждого цикла подбирается свое наиболее подходящее рабочее тело.

Рисунок 4. Каскадная схема ТУ

Анализ рынка тепловых насосов показал, что интерес к данным энергетическим установкам в мировой энергетике набирает все большие обороты. По данным JARN в 2021 году рост составил 19,3%, достигнув объема в 4,1 млн единиц оборудования. За последние 5 лет мировые темпы роста применения тепловых насосов увеличились в 2-2,5 раза. Согласно отчету Европейской ассоциации тепловых насосов (EHPA) в 2022 году продажи тепловых насосов достигли рекордных показателей в 3 млн единиц [6]. Этому способствовала политика в области энергосбережения, должное финансирование со стороны государств и внешнеполитические факторы. Мировая статистика говорит, что 60-70% ТН применяются для коммунально-бытовых нужд. Однако наиболее интересные проекты относятся к оставшимся 30% – применению тепловых насосов в промышленной сфере. Самым крупным проектом применения ТН в энергетике является станция VärtanRopsten, отпускающая 250 МВт тепловой энергии в централизованную систему теплоснабжения Стокгольма с помощью 6-ти тепловых насосов «Uniturbo 50FY», принадлежащих компании «FRIOTHERM», которые утилизируют низкопотенциальную теплоту Балтийского моря [7].

Рассматривая российский опыт, следует упомянуть ЗАО «Энергия», которое стало пионером в разработке и внедрении парокомпрессионных тепловых насосных установок. В 1990 году это предприятие было единственной специализированной компанией на рынке данного низкопотенциального оборудования, но к 2004 году количество таких организаций увеличилось до более чем 20 по всей стране. Это свидетельствует о том, что интерес к тепловым насосам в России постепенно возрастал.

Одним из значительных достижений в области применения ТН в России стал проект на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго». Здесь был установлен тепловой насос марки НТ-410-4-9-08 (сокращенно НТ-410), сконструированный на заводе «Компрессор». Установка прошла заводские испытания в июне 1999 года и была введена в промышленную эксплуатацию.

В качестве теплоносителя использовалась циркуляционная вода после конденсаторов с температурой 25-30℃, а нагреваемой средой служила обратная сетевая вода с температурой 45-50℃. Коэффициент преобразования энергии составил от 4,5 до 6. Оценки показали, что даже при работе теплового насоса НТ-410 с коэффициентом преобразования равным 5, себестоимость производимой тепловой энергии более чем в два раза ниже, чем при традиционной комбинированной выработке на теплоэлектроцентрали [8].

Необходимо отметить, что исследования в области тепловых насосов продолжаются и по настоящее время. В Австралии и Новой Зеландии тепловые насосы «воздух-воздух» уже являются наиболее распространенными отопительными приборами. В целом, ТН, использующиеся в качестве основного нагревательного прибора, покрывают около 10% мировой потребности в отоплении помещений.

Однако Институт энергетических исследований РАН рассчитал, что при среднем удельном расходе топлива на электростанциях 340 г у.т./кВт∙ч для условий северных регионов ни одна из схем теплоснабжения с тепловыми насосами компрессионного типа не является топливосберегающей по сравнению с газовыми котлами.

Топливосберегающим эффектом обладают лишь абсорбционные (адсорбционные) установки, они позволяют экономить порядка 20% топлива. Для центральных южных регионов России при оптимальном выборе схемы теплоснабжения с компрессионной ТУ может быть достигнута экономия топлива до 9% – даже по сравнению с использованием котлов на газе. По сравнению с использованием электрокотлов экономия топлива на электростанциях составляет 55-65% соответственно [9].

Таким образом, ТН являются перспективной технологией, способной внести значительный вклад в повышение энергоэффективности страны. Для дальнейшего развития и широкого внедрения тепловых насосов необходима государственная поддержка, стимулирование научных исследований и разработок, а также повышение осведомленности потребителей о преимуществах данной технологии.