История тепловых насосов
ИСТОРИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Тепловой насос долгое время оставался термодинамической загадкой, которой интересовались только преподаватели и исследователи. В настоящей главе описана начальная стадия исследований и история «умножителя тепла» лорда Кельвина.
1. ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК
Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (впоследствии— лорд Кельвин) в 1852 г. Она была названа умножителем тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи.
Предложенный Томсоном тепловой насос использует воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывается в цилиндр, расширяется и от этого охлаждается, а затем проходит через теплообменник, где нагревается наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей.
Есть данные о том, что фактически реализована подобная машина была в Швейцарии. Томсон заявил, что его тепловой насос способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на прямое отопление.
2. ДВАДЦАТЫЙ ВЕК
Холодильные машины развивались уже в конце XIX в., но тепловые насосы получили быстрое развитие лишь в 20-х н 30-х годах, когда в Англии была создана первая тешюнасосная установка. Холдэйн описал в 1930 г. испытание домашнего теплового насоса, предназначенного для отопления и горячего водоснабжения и использующего тепло окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию демонстрационных установок, но до этой стадии было доведено сравнительно немного проектов, так как все они имели лишь частное финансирование.
Первая крупная тешюнасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938—1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладоагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. Цель создания этих ус» тановок — сокращение потребления угля в стране. Некоторые нз них успешно работают более 30 лет.
2.1. ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В АНГЛИИ
Первый английский тепловой насос для крупного здания объемом 14 200 м3 был установлен в Норвиче.
Источник тепла — речная вода. Температура подаваемой воды 50° С. Хладоагентом была двуокись серы, коэффициент преобразования (КОП) около 3. Использовали бывший в употреблении компрессор выпуска 1926 г. с ременной передачей от электромотора постоянного тока. В зависимости от наружных и внутренних условий потреблялась мощность 40— 80 кВт.
В исторических обзорах чаще упоминается другая тешюнасосная установка в Англии на набережной Темзы в Лондоне, в концертном зале «Ройял фестивал холл». Эта установка также была экспериментальной, предназначенной для отопления зимой и охлаждения летом, ее тепловая мощность 2,7 МВт. Фактическая пиковая тепловая нагрузка для здания была преувеличена. Источник тепла—вода в Темзе, температура подаваемой воды 71° С. В режиме охлаждения подавалась вода с температурой 4° С. Приводной двигатель «КоПз-Коусе МегПп» переведенный на городской газ, мощностью 522 кВт. Центробежный компрессор был создан из турбонагнетателя воздуха в двигатель.
Тепло от конденсатора теплового насоса дополнялось поступлением тепла от системы охлаждения газового двигателя. В качестве хладоагента применен К12, достигнут коэффициент преобразования 5,1 и коэффициент первичной энергии (КПЭ) установки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в основном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения составили 103 200 ф. ст. (в ценах 1953 г.), тогда как при правиль-пом выборе нагрузок они составили бы 52 500.
Один из первых успешно работавших домашних тепловых насосов установил в своем доме Самнер — конструктор описанной выше установки в Норвиче. Одноэтажный дом имел хорошую теплоизоляцию и полностью отапливался тепловым насосом. Сначала, в первые годы эксплуатации, источником тепла был воздух, а за-тем — подземный теплообменник, использовавший тепло грунта на глубине около 1 м. В комнаты тепло поступало по медным трубкам, вмонтированным в бетонный пол. Коэффициент преобразования составляет 2,8, и установка нормально работает в настоящее время.
В 50-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения . Наиболее подробно описан холодильник-нагреватель Ферранти, осуществляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева воды. Аккумулятором тепла служил бак па 136 л, нагреваемый зимой мощностью 0,7 кВт и летом в жаркие месяцы мощностью 1,3 кВт,Мощность компрессора 400 Вт, температура кладовки снижается в среднем на 11° С. Интересно, что установка стоила 141 ф. ст., но она была в то время отнесена к предметам роскоши и на нее произведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей. Однако те установки, что были проданы, работали хорошо.
Тепловой насос в Наффилд колледже (Оксфорд), который еще существует, хотя и не работает, был запроектирован в 1954 г. Источник тепла — сточные воды с температурой 15—24° С. Привод компрессора от дизеля мощностью 31 кВт, общий КОП составляет около 4. Стоимость тепла, даваемого этим тепловым насосом, была сопоставлена со стоимостью тепла от котельной и теплового насоса с электроприводом: 2,4, 3,15 и 3,8 пенса за 1 МДж соответственно (все в ценах 1936 г.). Стоимость нефти тогда была 3,7 пенса за литр, электричества 1,375 пенс/(кВт • ч). Стоимость установки 9310 ф. ст., или 73 ф. ст./кВт тепловой мощности. Тепло охлаждения двигателя используется для дополнительного нагрева воды, которая обогревает колледж. Тепловая мощность установки 150, а полная расчетная тепловая нагрузка 450 кВт.
2. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В США
Ранние проекты, выполненные в США, уже упоминались. В конце 40-х годов было установлено, что коммерческий успех будет выше, если выпускать «агрегированные» установки, полностью собранные на заводе-изготовителе и встроенные в дома. В 1952 г. такие тепловые насосы поступили на рынок в большом количестве. В первый год было выпущено 1000 агрегатов, в 1954 г. вдвое больше и в 1957 г. — в 10 раз больше. В 1963 г. было выпущено уже 76 000 агрегатов, причем большинство из них установлено в южных штатах, где требуется летнее охлаждение и отопление зимой. Такие тепловые насосы успешно конкурируют с обычными котлами, дающими только тепло.
Проблемы возникли, когда эти установки начали применять в холодных северных штатах и выявился их недостаточный ресурс. За агрегированными тепловыми насосами установилась репутация ненадежных устройств. Это привело к прекращению роста выпуска в начале 60-х годов вплоть до 1971 г., когда снова начался их рост. За период застоя производства были .разработаны новые, более надежные агрегаты и, что более важно, изготовители помогли инженерам, устанавливающим и наблюдающим за агрегатами, лучше ознакомиться с ними. Было проведено несколько исследований надежности, а в 1974 г. Институт охлаждения и кондиционирования воздуха выдвинул программу аттестации и классификации тепловых насосов по их назначению. Эта работа продолжается в настоящее время.
В 60-е годы стоимость электроэнергии в США сильно снизилась, что дало преимущества прямому электроотоплению в ущерб тепловым насосам, спрос па которые упал и в связи с ненадежностью.
Но в 1973 г. энергетический кризис положил начало новому периоду быстрого роста интереса к тепловым насосам. В 1976 г. было продано 300 тыс. агрегатов, а их полное число в США превышает 2 млн.
3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Интерес к тепловым насосам никогда не был так велик, как в настоящее время. В Европе, Японии и США выпускают установки для теплоснабжения квартир, общественных зданий и промышленных процессов. Международное энергетическое агентство и Европейское экономическое сообщество выдвинули крупные программы развития тепловых насосов с демонстрацией новых конструкций и способов применения. В ближайшие годы на рынке появятся совершенно новые тепловые насосы для домашнего применения, использующие газ вместо электроэнергии. Расширится применение тепловых насосов в промышленности с вытеснением обычных сушилок. Тепловые насосы позволяют нам использовать энергию более эффективно и восстанавливать сбросную энергию, чем определяется их важная роль в сохранении наших энергетических ресурсов.