Энергетика является технической основой современной цивилизации. Ее развитие напрямую определяет уровень, масштабы и темпы социально-экономического развития страны, а также ее безопасность. За последние 20–30 лет такие государства, как Швеция, Япония, Германия достигли серьезных успехов в решении задачи рационального использования энергетических ресурсов, большинство из которых являются принципиально исчерпаемыми. В результате оказалось, что Беларусь тратит энергии в 2–4 раза больше этих стран. В связи с этим, остро стоит вопрос о стратегии энергетического развития страны в новых условиях. О том, на каких методах может основываться данная стратегия, рассказал заведующий лабораторией Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, д. т. н., профессор Леонард Леонидович Васильев.
Для устойчивого экономического развития страны должна быть обеспечена энергетическая поддержка, которая включает в себя также экологический аспект. По словам Л. Л. Васильева, в ближайшее время в промышленности Республики Беларусь необходимы существенные структурные перестройки, требующие значительных инвестиций, которые должны быть направлены, в первую очередь, на более рациональное и эффективное использование тепловой энергии. Этот вопрос актуален в первую очередь по той простой причине, что климат в нашей стране относительно холодный, а это значит, 25–30 % энергии тратится на обогрев помещений. Чтобы использовать ее рационально, необходимо детально проанализировать современные технологии, направленные на снижение энергозатрат, отдав предпочтение наиболее эффективным.
"Развитие и применение той или иной энергетической технологии могут стимулировать и последние международные договоренности, направленные на стабилизацию и уменьшение выбросов "парниковых" газов, в первую очередь, Монреальский и Киотский протоколы, — отметил Л. Л. Васильев. — Так, серьезные ограничения, введенные для радикального уменьшения эмиссии фреонов, являются реальной мотивацией отказа от использования фреонов в системах охлаждения и нагрева. С одной стороны, это стимулирует развитие компрессионных тепловых машин, где используются естественные рабочие тела. С другой, открывает "нишу" для химических и сорбционных тепловых машин, которые могут сыграть большую роль в уменьшении выбросов "парниковых газов", а также привести к значительной экономии органического топлива за счет использования тепловых отходов энергетики, различных промышленных производств, жилищно-коммунального хозяйства и природных источников низкотемпературного тепла".
По словам Л. Л. Васильева, одним из наиболее эффективных решений вышеуказанных проблем является использование тепловых насосов. "Тепловой насос — это термодинамическая система, позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий, — объяснил Л. Л. Васильев. — Данные машины предназначены для получения горячих воды и воздуха, используемых для отопления и горячего водоснабжения. Необходимым условием для их применения является наличие низкотемпературного источника теплоты, непригодного по своим температурным параметрам для обогрева окружающей среды. В настоящее время в мире определилось два основных принципиальных направления в развитии тепловых насосов: парокомпрессионные тепловые насосы (далее — ПТН) и сорбционные (аб/адсорбционные) тепловые насосы (далее — АТН)".
По низкотемпературному источнику теплоты и нагреваемой среде ПТН делятся на типы: "вода–вода", "воздух– вода", "воздух–воздух", "вода–воздух", "грунт–вода", "грунт–воздух". По типу используемого компрессорного оборудования — на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессора — на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины.
"В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны — преимущественно фторсодержащие углеводороды (фреоны), — рассказал далее Л. Л. Васильев. — Низкопотенциальным источником тепловой энергии для испарителей тепловых насосов является тепло грунта, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля грунтовых тепловых насосов в теплоснабжении составит 75 %. Общий объем продаж выпускаемых за рубежом грунтовых тепловых насосов составляет 125 млрд долларов США, что превышает мировой объем продаж вооружений в 3 раза. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта грунтовых тепловых насосов, используемых для обогрева и кондиционирования зданий, являются вертикальные теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой скважины глубиной от 30 до 50 м каждая, устроенные вблизи дома".
Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды — переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами. Например, в Швеции 350 тыс. домов обогреваются тепловыми насосами. Население этой страны составляет в настоящее время 9 млн человек. Количество индивидуальных домов (на семью) — около 1,6 млн, включая летние домики. Среди этой группы населения 550 тыс. человек используют в качестве источника энергии для обогрева электричество, 224 тыс. — электричество в сочетании с дровами, 104 тыс. — централизованное теплоснабжение (для новых домов). Около 350 тыс. домов обогревается тепловыми насосами различных типов.
Как отметил Л. Л. Васильев, различные комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла дают большое разнообразие типов теплонасосных установок.
Например, установка может использовать для отопления помещения тепло грунтовых вод, а для горячего водоснабжения — тепло естественного водоема. Морская вода и наружный воздух могут применяться в качестве источников и приемников тепла (кондиционеров).
Помимо широко используемых парокомпрессионных электрических тепловых насосов применяются также неэлектрические сорбционные тепловые насосы АТН (абсорбционные и адсорбционные). АТН делятся на два основных вида — водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных АТН абсорбентом является вода, а хладагентом — аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом — вода. В мировой практике используют преимущественно солевые АТН.
"Циклы переноса теплоты совершаются с помощью совмещенных прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных тепловых насосов, в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл, — рассказал Л. Л. Васильев. — По отечественной классификации абсорбционные бромисто-литиевые машины классифицируются на повышающие и понижающие (более распространенные) термотрансформаторы. По виду потребляемой высокотемпературной теплоты они подразделяются на машины с паровым (водяным) и с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе. По термодинамическому циклу АТН бывают с одноступенчатой или двухступенчатой схемой регенерации раствора и двухступенчатой абсорбцией. В адсорбционных тепловых насосах вместо жидких сорбентов применяются твердые (силикагели, цеолиты, активированный уголь и т. д.). При использовании тепловых отходов (или солнечной энергии) сорбционные холодильники всегда являются экологически более чистыми и экономически более выгодными, чем компрессионные".
При регенерации путем сжигания природного газа сорбционные устройства охлаждения могут быть экологически более чистыми только в исключительных случаях, поэтому для уменьшения выбросов вредных веществ целесообразно развивать компрессионные устройства с высоким холодильным коэффициентом (ХК 4). Сорбционные тепловые насосы с коэффициентом усиления КУ(COP)>1 являются и экологически более чистыми и экономически более выгодными, чем газовые нагреватели. При КУсорб =1,7 потребление природного газа уменьшается на 41 %, а при КУсорб = 1,5 — на 33 %, что представляет большой практический интерес.
Сорбционные реверсивные тепловые насосы (теплота + холод) позволяют получить от 20 до 30 кВт/м3 тепловой энергии и до 5 кВт холода на кубический метр сорбента. Такие тепловые насосы экономят до 15–20 % первичной энергии (топлива) для производства электричества, теплоты и холода.
Как отметил Л. Л. Васильев, для эффективной реализации преимуществ использования АТН необходимо осуществить программу модернизации пара котельных установок и промышленных печей, добавив к ним неэлектрические сорбционные тепловые насосы, что позволит на 20–30 % уменьшить потребление первичного топлива (газ, мазут, дрова, торф и т. д.) при сохранении той же производительности энергетического оборудования. Данная модернизация обойдется значительно дешевле, чем дополнительное строительство котельных установок и печей, поскольку нет необходимости в осуществлении капитального строительства. Размещение тепловых насосов происходит на уже существующих площадях, занимаемых печным и котельным оборудованием.
В качестве низкотемпературного источника энергии подобных тепловых насосов используются водные бассейны, грунтовые воды, отработанная вода и пар промышленных производств, а также вторичные и альтернативные источники энергии.
"В Республике Беларусь накоплен серьезный научно-технический потенциал в области исследования тепловых насосов компрессионного и сорбционного типов, а также интенсификации тепло- и массопереноса с помощью тепловых труб, — резюмировал Л. Л. Васильев. — Доказанная перспективность использования различных сорбционных и компрессионных устройств преобразования теплоты должна стать толчком для активного внедрения в жизнь данных энергетических технологий в нашей стране".