Тепловые насосы на природных хладагентах — энергетически эффективные технологии с большим будущим

Тепловые насосы на природных хладагентах — энергетически эффективные технологии с большим будущимПо оценкам Организации стран — экспортеров нефти (ОПЕК), к 2032 году потребность в нефти увеличится примерно на 150 %. Повысившийся спрос неизбежно приведет к росту цен на энергоносители. Впрочем, уже сейчас расходы на энергообеспечение производственных процессов, горячего водоснабжения, кондиционирования офисов и цехов стало для руководителей компаний серьезной головной болью.

Один из путей решения этой проблемы — применение тепловых насосов. Они, в частности, позволяют использовать тепло, выделяющееся в ходе технологических процессов, например, для отопления зданий. До сих пор эта возможность использовалась довольно редко.

Томас Шпэниш, член совета директоров Европейской инициативы по природным хладагентам (Eurammon), отмечает: «В ближайшем будущем ожидается продолжение быстрого роста рынка тепловых насосов. Тепловые насосы с природными хладагентами уже используются, демонстрируя неплохую экономическую и энергетическую эффективность. Природные хладагенты, такие как, например, аммиак (NH3), отличаются высокой экологической чистотой. Они имеют или нулевой, или пренебрежимо малый потенциал глобального потепления (ПГП)».

Система энергетически эффективного централизованного теплоснабжения в Сарпсборге, Норвегия

Компания GEA Refrigeration Germany разработала для норвежского энергетического провайдера Bio Varma Sarpsborg AS совершенно новую установку на базе теплового насоса. Установка мощностью 2 МВт предназначена для нагрева воды до 82°С в районной сети централизованного теплоснабжения. Для максимального удешевления энергии тепловой насос использует два различных источника вторичного тепла. 1,5 МВт поступает от воды с температурой 45°С из системы охлаждения местного мусоросжигательного завода, еще 3 МВт — от воды температурой 38°С из установки по биологической переработке канализационных стоков.

Первоначально вода нагревается горячим маслом в маслоотделителе. Основное тепло поступает от конденсатора при максимальной температуре конденсации 82°С. И еще несколько градусов добираются от перегревателя, в рубашку которого поступает горячий газ с температурой 105°С.

Тепловые насосы на природных хладагентах — энергетически эффективные технологии с большим будущимОсобенностью большого теплового насоса на аммиаке являются используемые в нем компоненты. В первый раз в системах этого типа применяются два больших масляных фильтра и масляный насос с мотором мощностью 18,5 кВт, способный перекачивать около 900 л в минуту.

GEA, кроме того, установила высоковольтный мотор мощностью 1200 кВт и частотный преобразователь для мотора и масляного насоса. Центральное место в системе занимает компрессор высокого давления серии R. Из-за высоких температур конденсации контур высокого давления должен выдерживать давление в 52 бар. Это потребовало применения новых компонентов, труб и арматуры, часть из которых была разработана специально для этой системы. Система была запущена в эксплуатацию в сентябре 2010 года и с тех пор прекрасно работает.

Комбинированная охладительная и нагревательная система для Fleischtrocknerei Churwalden (завод для высушивания мяса), Швейцария

Fleischtrocknerei Churwalden AG производит высококачественные натуральные мясные продукты. Экологическая чистота производства является частью корпоративной философии компании. По ее заказу специалисты по системам охлаждения из компании SSP Kälteplaner разработали экологичные нагревательные и охладительные системы для центра по переработке мяса в Ландкварте (Швейцария). В этих системах применены тепловые насосы и холодильные машины, использующие аммиак и диоксид углерода. Основной идеей получения энергии для нагрева или охлаждения является тепло грунтовых вод в альпийской долине Рейна. Водозаборы и насосы берут воду из подземных источников и после использования возвращают обратно. Температура теплоносителя доводится до требуемых значений холодильными машинами и тепловыми насосами.

Тепловая энергия общим объемом около 950 кВт требуется для следующих нужд: нагрев воды до +60°С для технологических процессов в климатических камерах и машинах для мытья контейнеров; нагрев воды до +40°С для обогрева, сушки, предварительного подогрева горячей технологической воды и размораживания промышленных холодильных камер.

Для поддержания температуры около нуля в цехах, —8°С в промышленных холодильных камерах и цехах созревания, —25°С в холодильных камерах глубокой заморозки требуется холодильная установка мощностью 1200 кВт.

Для нагрева воды применяется двухступенчатый тепловой насос на аммиаке, использующий грунтовые воды с температурой +12 и +8°С. В каждой ступени применяются два поршневых компрессора York/Sabroe, регулирование которых осуществляется за счет изменения частоты вращения. Как испарители и конденсаторы используются кассетные сварные пластинчатые теплообменники Alfa Laval. Объем аммиака в тепловых насосах составляет примерно 300 кг.

Тепловые насосы на природных хладагентах — энергетически эффективные технологии с большим будущимВторичное тепло от мотора и компрессоров для сжатия воздуха и создания разряжения подается непосредственно в систему. Недостающая энергия вырабатывается тепловым насосом.

Тепловой насос на аммиаке также играет вспомогательную роль в системах с низким температурным уровнем +40°С, где он вырабатывает недостающую энергию. «Теплый» резервуар грунтовых вод выступает как источник тепла.

На предприятии последовательно используется любое вторичное тепло. Везде, где это возможно, оно направляется в систему распределения, обеспечивающую его быстрое повторное использование. Этот подход применяется и к охлаждению моторов, включая те, которые предназначены для сжатия воздуха или стоят в центральной вакуумной системе. Вторичное тепло нижнего уровня рассеивается в «теплом» резервуаре грунтовых вод. Туда же направляется вторичное тепло, полученное от конденсации в холодильных установках и от охлаждения упаковочных машин.

Выработка холода осуществляется двумя холодильными машинами на аммиаке. Для охлаждения используются грунтовые воды, которые затем направляются в «теплый» резервуар. Когда возникает необходимость, тепловой насос может взять вторичное тепло из резервуара и поднять температуру носителя. Холод до 0 и до –8°С вырабатывается холодильными машинами с двумя промышленными поршневыми компрессорами. В качестве хладагента используется аммиак. В каждой системе один из компрессоров оборудован устройством для изменения частоты. Холод передается на места охлаждения с использованием водно-гликолевой смеси. Энергия переохлаждения берется из «холодного» резервуара грунтовых вод. Обмен водой между тепловым насосом и холодильной машиной и обратно достигает максимальных значений, а остаток в двигателях и контурах хладагента поддерживается минимально возможным. В обеих вторичных сетях хладагента для оптимизации работы установлены буферные резервуары по 30 000 л каждый.

В камерах глубокой заморозки в качестве хладагента используется диоксид углерода. Из испарителей, стоящих в камерах заморозки, хладагент поступает в поршневой компрессор, где сжижается до субкритического состояния в каскадном конденсаторе.

Летом необходимая энергия охлаждения берется из «холодного» резервуара грунтовых вод и используется напрямую для охлаждения помещений в вентиляционных системах, охлаждающих потолках или для охлаждения серверных залов. Для охлаждения с использованием систем кондиционирования первичная энергия используется только в перекачивающих насосах.

Аммиак (NH3)

Аммиак как хладагент успешно используется в промышленных холодильных установках уже более 100 лет. Это бесцветный газ с едким запахом, под давлением — сжижается. В холодильной индустрии аммиак известен под обозначением R717.

Аммиак не разрушает озон (ОРП = 0) и напрямую не способствует глобальному потеплению (ПГП = 0). Благодаря высокой энергетической эффективности его доля в непрямом воздействии на климат также низка. Аммиак горюч, однако для его возгорания требуется в 50 раз больше энергии, чем для того, чтобы поджечь природный газ, кроме того, аммиак не горит без источника огня. Из-за высокой способности вбирать влагу аммиак оценивается как «трудновоспламеняемый». Аммиак токсичен, но из-за характерного резкого запаха его присутствие становится очевидным при концентрации 3 мг/м3, значительно ниже той, при которой он становится опасен для здоровья (более 1750 мг/м3). Кроме того, аммиак легче воздуха и быстро поднимается вверх.

Диоксид углерода (CO2)

История применения диоксида углерода в холодильных системах началась в середине XIX столетия. Как хладагент он имеет обозначение R744. Это бесцветный газ, который сжижается под давлением, обладает слабым запахом и кисловатым вкусом. Диоксид углерода не разрушает озон (ОРП = 0), прямой потенциал глобального потепления пренебрежимо мал (ПГП = 1). Этот газ тяжелее воздуха, негорюч и химически инертен. Он опасен только при высоких концентрациях. Диоксид углерода в изобилии встречается в природе.

Озоноразрушающий потенциал и потенциал глобального потепления хладагентов

ОРППГП
Аммиак (NH3)00
Диоксид углерода (CO2)01
Углеводороды (пропан C3H8, пропен C3H6, изобутан C4H100<3
Вода (H2O)00
Хлорфторуглероды (ХФУ)14680 — 10720
Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ)0,02 — 0,0676-12100
Перфторуглероды (ПФУ)05820 — 12010
Гидрофторуглероды (ГФУ)0122 — 14310

Потенциал разрушения озонового слоя (ОРП)

Озоновый слой разрушается за счет каталитического действия хлора, фтора и брома в их соединениях. В результате озон превращается в кислород, и озоновый слой разрушается. Потенциал разрушения озонового слоя (ОРП) соединений показан в эквиваленте хлора (ОРП молекулы хлора =1).

Потенциал глобального потепления (ПГП)

Парниковый эффект возникает из-за способности веществ в атмосфере отражать тепло, исходящее от поверхности Земли. Прямой потенциал глобального потепления (ПГП) соединений показан в эквиваленте СО2 (ПГП молекулы СО2 = 1).

Тепловой насос бесплатно снабжает шоколадную фабрику горячей водой

Тепловые насосы на природных хладагентах — энергетически эффективные технологии с большим будущимКомпания Star Refrigeration в 2010 году получила заказ для шоколадной фабрики британского филиала компании Nestlé. Требовалось найти решение, основанное на использовании теплового насоса, позволяющее существенно снизить расходы на энергию для систем охлаждения и нагрева. Прежде всего Star Refrigeration заменила агрегатированные чиллеры на хладагенте R22 и центральный парогенератор на угле. Новая концепция предполагала использовать вторичное тепло от охлаждающего контура для повышения температуры технологической воды до требуемого значения. Тепловой насос «Neatpump» компании Star Refrigeration должен нагревать воду до 60°С, использующуюся в качестве первой ступени нагрева для процессов, требующих более высоких температур.

Так как пищевая компания намеревалась максимально сократить углеродные выбросы, альтернативы технологии тепловых насосов не было. Однако большинство имевшихся на рынке тепловых насосов использовали гидрофторуглероды, природные хладагенты применялись лишь в машинах с поршневыми или винтовыми компрессорами, что означало рост стоимости обслуживания и постоянную работу на предельных режимах.

В кооперации с Vilter Manufacturing Inc. (США) и Cool Partners (Дания) в Star Refrigeration был разработан тепловой насос высокого давления на аммиаке. В конструкции, способной обеспечивать нагрев теплоносителя до +90°С, используется винтовой компрессор. Система извлекает вторичное тепло из гликоля, охлажденного до –5°С, и затем поднимает температуру носителя до требуемого значения в +60 °С. В случае если нужна более высокая температура, используется новый газовый бойлер.

О Eurammon

Eurammon была создана в 1996 году. Это совместная Европейская инициатива, в которой участвуют компании, организации и частные лица, пропагандирующие расширение использования природных хладагентов. Накапливая знания в области применения природных хладагентов в холодильной технике, Инициатива считает своей миссией создание платформы для обмена информацией и повышения информированности общественности о природных хладагентах и преимуществах их применения. Ее задача — пропаганда использования природных хладагентов в интересах создания здоровой окружающей среды и поощрение экологического подхода к разработке холодильного оборудования. Eurammon представляет специалистам, политикам и широкой публике всестороннюю информацию обо всех аспектах применения природных хладагентов. Европейская инициатива выступает как квалифицированный консультант для каждого, кого интересует этот вопрос.

В связи с тем, что новое оборудование должно было обеспечить те же нагрузки по теплу и охлаждению, что и существовавшее ранее, получалось, что компрессорам теплового насоса нужно было генерировать около 1,25 МВт высокотемпературного тепла. Поэтому был выбран вариант с мощностью по холоду 914 кВт, позволяющий получать 346 кВт вторичного тепла. Холодильный коэффициент по смешанному циклу «охлаждение/нагрев» составил 6,25. Чтобы с помощью конденсатора с воздушным охлаждением поднять температуру конденсации с расчетных летних условий окружающей среды до температуры, приемлемой для нагрева воды до +60°С, требовалось только 108 кВт дополнительной энергии. Это повысило холодильный коэффициент до 11,57.

Использование вторичного тепла от холодильных систем вполне окупилось для Nestlé: с начала работы в мае 2010 года система использует и нагревает около 54 000 л водопроводной воды в день, позволяя сократить расходы на газ почти на 30 000 фунтов стерлингов ежегодно. Начиная с конца 2010 года предприятие использует еще 250 кВт вторичного тепла для автономных контуров охлаждения. К середине 2011 года производство тепла удвоилось. Таким образом, компания экономит примерно 143 000 фунтов стерлингов на расходах на нагрев и в то же время сокращает эмиссию углерода на 119 100 кг. Более того, расходы на электроэнергию на предприятии сократились примерно на 120 000 фунтов в год, несмотря на комбинированную генерацию холода и тепла.

Наступление тепловых насосов с природными хладагентами

Снижение затрат на отопление и нагрев воды — задача, решение которой актуально не только для промышленности, но и для жилого сектора.

«Особый интерес представляют тепловые насосы для получения горячей воды, использующие СО2 в качестве хладагента, — говорит Томас Шпэниш. — Они обеспечивает превосходные показатели энергоэффективности и в некоторых случаях очень высокую температуру воды на выходе — до +90°С. В Германии это решение до сих пор использовалось довольно редко. В Японии, наоборот, правительство субсидирует покупку тепловых насосов на СО2, поэтому уже к концу 2009 года по всей стране было продано около двух миллионов приборов этого типа. К 2020 году это число должно достичь 10 миллионов».

По материалам Eurammon



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест