Около трех четвертей энергии, потребляемой в домашних хозяйствах, расходуется на отопление и горячую воду. При этом энергия добывается главным образом посредством сжигания ископаемых энергоносителей. Все больше повышается значение экономного обращения с природными ресурсами, а связанные этим экономические и экологические преимущества все чаще становятся решающими критериями при выборе подходящей отопительной системы.

Если сравнивать принципы работы геотермальной энергетики с другими способами генерирования электрической или тепловой энергии, то следует заметить, что ветроэнергетика, солнечная энергетика и энергия биотоплива занимаются именно генерированием энергии от внешних источников. В случае с геотермальной энергетикой тепло или электрическая энергия не генерируется а «переносится» в виде тепла из одной системы в другую. В этом ее уникальность.

Для российского рынка климатическое оборудование на базе тепловых насосов является инновационным продуктом, несмотря на достаточно долгий путь развития этой технологии.

Широко применяемое в настоящее время испарительное охлаждение, в основе которого лежит принцип PDEC (passive downdraught evaporative cooling) — пассивного испарительного охлаждения с естественной тягой, возникло в Египте еще в 2500г. до нашей эры, что запечатлено на фресковой живописи (рабы, обмахивающие кувшины с водой). Этот же способ охлаждения воды описывал древнегреческий философ Протагор (V в. до н.э.).

Открытие того, что вода в вакууме испаряется при низких температурах, сделанное англичанином Робертом Бойлем и немецким физиком Отто фон Герике (Guericke) в конце XVII в., считают началом разработки холодильных машин.

Немалый научный вклад в получение низких температур внес русский академик М.В.Ломоносов (1711 – 1765), написавший в 1744 г. свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Использование концепции механико-химического охлаждения с помощью хладагентов началось в 1748 году. Появление термометра впервые позволило наглядно увидеть эффект охлаждения. Так, академик Г.В.Рихман (G.Richmann) из Санкт-Петербургской Академии наук опубликовал свои опыты по холоду.

В 1755 году известный хирург и терапевт, профессор медицины университета Глазго Уильям Каллен (Dr. William Cullen, Glasgow, Scotland) сконструировал хитроумную установку, в которой эфир, испаряясь, в виде газа переходил в другую емкость, где, конденсируясь при комнатной температуре, отдавал в атмосферу отобранное в холодильной камере тепло. Именно вакуум позволил Каллену понизить температуру кипения диэтилового эфира ниже комнатной. Так был сконструирован аппарат, показавший на практике возможность постоянной генерации холода в циклическом процессе. На основе этой технологии работает большинство современных бытовых холодильников.

В 1805 г. американец Оливер Эванс (Oliver Evans)(1755-1819) был, очевидно, первым, кто точно описал замкнутый испарительно-компрессионный цикл охлаждения. Инженер - изобретатель, известный своими разработками в области совершенствования паровых двигателей, спроектировал охлаждающую установку, основанную на эффекте, продемонстрированном Калленом. Хладагентом в установке должен был быть диэтиловый эфир. Проект простой и эффективно работающей холодильной машины предлагал использовать замкнутый, позволяющий легко управлять процессом, компрессионный цикл: компрессор сжимает под давлением пары хладагента, повышая этим его температуру кипения и позволяя сконденсироваться в охлаждаемом воздухом конденсаторе; из конденсатора через регулировочный вентиль хладагент попадает в вакуум-испаритель, где он закипает и испаряется, отбирая затрачиваемое на это тепло в окружающей среде, и вновь втягивается компрессором в конденсатор. Таким образом, разницу давлений в испарителе и конденсаторе и, соответственно, температуру охлаждения, достигаемую в испарителе (а она зависит от глубины вакуума), можно регулировать, всего лишь открывая или закрывая регулировочный вентиль. Свою установку Эванс так и не построил.

В 1824 г. вышла первая и единственная работа Николя Леонар Сади Карно (Nicolas Leonard Sadi Carnot) (1796—1832)—великого французского физика и математика— «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа считается основополагающей в термодинамике. В ней был произведен анализ существующих в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2%). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина, идеальный цикл (Цикл Карно), обратимость и необратимость термодинамических процессов.

Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. В 1852 г. лорд Кельвин, сэр Уильям Томсон (Sir William Thomson, Lord Kelvin) (1824-1907) разработал концепцию работы теплового насоса, открыл совместно с Джеймсом Прескоттом Джоулем (James Prescott Joule) (1818-1889) эффект охлаждения газа при адиабатическом расширении. «Эффект Джоуля-Томсона» - изменение температуры газа в результате медленного протекания под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель – местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой, т.е. адиабатически. Опытным путем было установлено, что при медленном стационарном адиабатическом протекании газа через пористую перегородку его температура изменяется. Также лорд Кельвин развил термодинамическую теорию термодинамических явлений и предсказал явление переноса тепла электрическим током («термоэлектрический эффект Томсона»). Он и предложил первую практическую теплонасосную систему 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. Есть предположения о том, что фактически реализована подобная машина была в Швейцарии.

Рис. 1. Схема ТН типа Томсона:

1 - окружающая среда; 2 - рабочий цилиндр; 3 - теплообменник; 4 - шатунный механизм; 5 - паровая машина; 6 - расширительный цилиндр; 7 - отапливаемое помещение

Как видно из рисунка 1, 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.

В 1855г. австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger) (1811—1872) был спроектирован и установлен первый известный тепловой насос. Риттингер детализировал и усовершенствовал концепцию теплового насоса предложенную лордом Кельвином.

В 1873г. немецкий инженер-изобретатель Карл фон Линде (Karl von Linde) (1842-1934) - профессор механики в техническом колледже в Мюнхене (Германия) строит в Мюнхене первую компрессионную холодильную машину на аммиаке. В 1876 году Карл фон Линде изобрел первый стационарный холодильник, работающий на аммиаке. Линде отличался от пионеров раннего «коммерческого» охлаждения тем, что решал проблему охлаждения только с теоретических позиций. Один из историков в области холодильной техники сказал о Линде: «…он одновременно и ученый, и профессор, и инженер, и производственник – редко когда все эти качества присущи одному человеку».

В 1912г. в Цюрихе (Швейцария) швейцарским инженером мексиканского происхождения Генрихом Золи (Heinrich Zoelly) (1862–1937), известным исследователем в области паровых машин и газотурбинных установок, был получен патент на технологию геотермальных тепловых насосов, т.е. на идею извлечения тепла из грунта.
Среди теоретических работ российских ученых видное место занимал геофизик и метеоролог профессор Михельсон В.А. (1860 -1927), который в 1920 году разработал подобный проект парокомпрессионной установки с аккумулированием солнечного тепла в грунте. Технология получила быстрое развитие в 20-30-х годах XXвека, благодаря бурному росту производства холодильной техники. Тогда в Шотландии в 1927 была создана первая теплонаносная установка. Английский инженер Т. Холдэйн собрал ее в своем собственном доме (рис. 2).

Рис. 2. Схема ТН, установленного в жилом доме:

1 - наружный испаритель; 2 - компрессор; 3 - испаритель в резервуаре-аккумуляторе; 4 - дроссельный клапан; 5 - конденсатор: 6 - связь с батареями отопления.

В качестве ТН была использована холодильная машина с электроприводом в 5 кВт. В установке имелось два испарителя. Один испаритель был установлен вне помещения и потреблял теплоту наружного воздуха, а другой испаритель был погружен в бак с проточной водой, установленный внутри помещения. Оба испарителя (в зависимости от температуры наружного воздуха) могли работать как самостоятельно, так и параллельно. Вода для отопительной системы нагревалась в конденсаторе до 37,8°С, поэтому необходимо было увеличить поверхность нагревательных приборов. Для повышения температуры воды, идущей на хозяйственные нужды, до 55°С использовали электронагреватели. Летом ТНУ работала только ночью, запасая теплую воду для хозяйственных нужд в специальном резервуаре и одновременно вырабатывая лед. Коэффициент преобразования первой в мире ТНУ достигал 2,3.

В 1926г. - группа исследователей во главе с Томасом Мидгли приступает к разработке нетоксичных и негорючих хладагентов, призванных заменить аммиак. В 1928г. – изобретен хладагент CFC (Chlorofluorocarbon) в лабораториях General Motors Research Lab. командой химиков в составе: Томаса Мидгли, Альберта Хенна и Роберта Макнари. В 1930г. Томасом Мидгли запатентован (патент под № 1833847 от 24 ноября 1931 года) и анонсирован хладагент под торговой маркой “Фреон” (фреон-12). Вещество было практически нетоксичным, негорючим и не вызывающим коррозии. Кроме того, оно обладало множеством весьма привлекательных свойств, одним из которых были простота и дешевизна производства, которые быстро возвели его в ранг «газа столетия».

В 30-х годах XX века после того, как в Англии была создана первая установка предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха, теплонасосные установки получили своё дальнейшее развитие. Это привело к началу работы в США и созданию там нескольких демонстрационных установок. Одной из старейших теплонасосных систем можно считать здание Объедененной штаб-квартиры освещения в New Haven, штат Connecticut, которая работает начиная с 1930 года.

В начале 30-х годов в США была сооружена ТНУ, которая предназначалась для отопления и кондиционирования воздуха 13-этажного (объемом 107 тыс. м3) административного здания Южно-Калифорнийской компании Эдисон. В ТНУ были включены четыре компрессора с электроприводами мощностью по 147 кВт каждый. Рабочим веществом служил хлорметан. Летом установка охлаждала здание, а зимой - отапливала. При низких температурах наружного воздуха система отопления дублировалась электронагревателями.

В дальнейшем опытные ТНУ стали сооружать не только в Великобритании и США, но и в Швейцарии, Франции и Италии. В Швейцарии ТНУ широко применялись уже к концу 30-х годов. Этому способствовало наличие обильных водных ресурсов, которые позволили вырабатывать дешевую электроэнергию без топливных затрат. По тем временам теплопроизводительность ТНУ была довольно большой. Например, в 1937 г. в Цюрихе в здании ратуши была сооружена система отопления с ТНУ теплопроизводительностью 175 кВт.

Первый английский тепловой насос для крупного здания объемом 14200 м3 был установлен в Норвиче, его схема показана на рисунке 3. Источник тепла - речная вода. Температура подаваемой воды 50°С. Хладагентом была двуокись серы, коэффициент преобразования (КОП, СОР) 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.

Рис. 3. Схема теплового насоса Самнера для норвичской электрослужбы.

1 - река; 2 - водяной насос; 3 - речная вода; 4,5° С; 4 - нагретая вода 50° С; 5 - обратная вода 44,5° С; 6 - сбросная вода 3,3°С; А - испаритель; В - конденсатор; С - компрессор; D - дроссель.

В исторических обзорах чаще упоминается другая теплонасосная 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 "Rolls-Royce Merlin" 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 хладагента применен R12, достигнут коэффициент преобразования 5,1 и коэффициент первичной энергии (КТП) установки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в основном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения в два раза превысили затраты, необходимые при правильном выборе нагрузок.

Один из первых успешно работающих 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 затем 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 работала до конца 80-х годов.

Реализатором идеи грунтовых (земляных) геотермальных тепловых насосов, которые получили в дальнейшем реальное практическое применение особенно для северных стран, считается изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) (1924— 1996). В середине 40-х годов ХХ столетия Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе с морозильной камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон. На сегодняшний день такая технология извлечения тепла с грунта называется непосредственным кипением и считается самой эффективной.

В 50-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения. Наиболее примечателен холодильник-нагреватель Ферранти, осуществляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева воды. Аккумулятором тепла служил бак на 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 была отнесена к предметам роскоши и на нее произведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей.

Тепловой насос в Наффилд-колледже (Оксфорд), который существует и в настоящие дни, 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, выдаваемая эти тепловым насосом была выше, по сравнению с теплом от котельной, и ниже, по сравнению с тепловым насосом с электроприводом. Такое соотношение делало эту установку вполне конкурентно способной.

В конце 40-х годов в США было установлено, что коммерческий успех будет выше, если производить «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 ТН, в 1954 г. в 2 раза больше, а в 1957 г. — в 10 раз больше. В 1963 г. было выпущено 76000 ТНУ, 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 на которые упал и в связи с ненадежностью. Энергетический кризис в 1973 г. положил начало новому периоду быстрого роста интереса к тепловым насосам.

В СССР историю тепловых насосов следует начинать с работ физика В. А. Михельсона. Он впервые проанализировал возможность применения парокомпрессионных (конденсационных) холодильных машин для теплоснабжения зданий (рис. 4). Он также указал на основные причины, тормозившие в то время применение теплонасосного (динамического) отопления: дешевизну органического топлива, а также сложность и дороговизну оборудования.

Рис. 4. Схема применения холодильной машины для отопления:

1 - трубопроводы, подключенные к отопительной сети; 2 - котел-конденсатор; 3 - компрессор; 4 - испаритель; 5 - вентиль.

Работа В. А. Михельсона, датированная 1920 г., до сих пор не потеряла своей актуальности. Автор, в частности, пишет: "Теперь условия изменились. Дешевизне минерального топлива, по-видимому, наступил конец. Острый топливный кризис не есть явление местное и временное, но явление общее и длительное, обусловленное глубокими физическими, экономическими и социальными причинами. Поэтому теперь отпадает и второе затруднение, так как нельзя жалеть никаких затрат и усилий для облегчения и преодоления этого кризиса". В собрании сочинений В. А. Михельсона представлены два детально разработанных проекта: "Проект двухэтажного жилого дома, динамически отапливаемого из артезианского колодца" и "Проект четырехэтажной гостиницы, динамически отапливаемой из аккумулятора солнечной теплоты, расположенного под самим зданием". К сожалению, эти проекты не были претворены в жизнь. И дальнейшие работы в СССР по ТНУ имели в основном обзорный и расчетно-теоретический характер.

Н. И. Гельперин (1903-1989) рассмотрел вопросы применения тепловых насосов в выпарных и сушильных установках для химической и других отраслей промышленности. В предложенной им выпарной установке (рис. 5) пар растворителя сжимается с повышением температуры в конденсаторе и затем, конденсируясь в змеевике, нагревает выпариваемый раствор. Отводимый из установки конденсат нагревает поток раствора на входе в нее. Рабочим веществом является сама испаряемая жидкость. Изменение ее состояния происходит по разомкнутому циклу.

Рис. 5. Схема теплонасосной выпарной установки:

1 - котел-кипятильник; 2 - компрессор; 3 - электроподогреватель; 4 – теплообменник.

А. Ф. Иоффе, призывая к использованию холодильных машин для отопления, отмечал их связь с теплофикацией: прилегающий к ТЭЦ район он предлагал снабжать теплотой, отводимой от турбин, а в более отдаленные районы подавать электрическую энергию для привода теплового насоса.

В 30-е годы исследованиями тепловых насосов начали заниматься в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф. Э. Дзержинского, Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползунова и других организациях.

Г. Ф. Ундриц провел технико-экономическое сравнение трех отопительных систем: теплонасосной, электрической и обычной (от водогрейных котлов) применительно к трем городам: Ленинграду, Одессе и Баку. В работе дан график распределения зон экономической эффективности указанных систем (рис. 6). Показано, что зона эффективного применения ТНУ расширяется со снижением средней температуры отопительного периода и увеличением его продолжительности.

Рис. 6. График зон экономической эффективности тепловых насосов, котельных и прямого электроотопления по Г. Ф. Ундрицу.

При высоких значениях этой температуры тепловые насосы не рентабельны, вследствие кратковременного периода использования установленной мощности. Поле графика делится почти горизонтальной линией на две части: верхнюю - зону котельных при дорогостоящей электроэнергии и нижнюю - зону прямого (непосредственного) электроотопления при дешевой электроэнергии. На основе этих результатов Г. Ф. Ундриц сделал вывод о необходимости круглогодичного применения ТНУ в южных районах: зимой - для отопления, летом - для охлаждения.

По расчетам Г. Ф. Ундрица прямое электроотопление при некоторой низкой стоимости электрической энергии становится выгоднее теплонасосного, т. е. приемлемая для ТНУ стоимость электроэнергии, ограниченная сверху зоной котельных, снизу ограничивается зоной прямого электроотопления. Подчеркивается также целесообразность аккумулирования теплоты в больших резервуарах и применения ТНУ для объектов, не требующих высокой температуры теплоносителя, т. е. плавательных бассейнов, систем котельного отопления и т. д.

Выводы Г. Ф. Ундрица относительно стоимости различных систем отопления в трех указанных городах базируются на существовавших тогда ценах на топливо, а также на холодильное и котельное оборудование. Поэтому в настоящее время эти результаты расчетов не могут быть использованы при проектировании. Кроме того, температуру испарения рабочего вещества автор принимал одинаковой для всех трех городов, что снизило действительный коэффициент преобразования ТН для южных районов и повлияло на результаты технико-экономического сопоставления.

А. Н. Ложкин и Ю. В. Голевинский, излагая результаты исследований, проводившихся в ЦКТИ с 1934 г., показали роль парокомпрессионных и пароструйных ТН в развитии теплофикации СССР. Для теплоснабжения на ТЭЦ отбирается пар максимального давления и дросселируется до нужной каждому потребителю величины. В результате ТЭЦ недовырабатывает значительное количество электроэнергии. Эффективное решение вопроса было найдено при использовании тепловых насосов для повышения давления пара низких параметров, отбираемого у турбин, до уровня, необходимого каждому потребителю.

А. Н. Ложкин и Ю. В. Голевинский впервые указали экологические и другие преимущества централизованного теплоснабжения промышленных предприятий при использовании тепловых насосов: уменьшение загрязнения атмосферы, снижение перевозок топлива (дальних и внутригородских), ликвидация топливных складов на предприятиях, уменьшение потребности в рабочей силе и др.

В послевоенные годы в СССР были разработаны интересные варианты использования тепловых насосов. В работе А. А. Канаева перечислены источники низкопотенциальной теплоты для ТНУ. Предложено использовать циркуляционную воду ТЭС (охлаждать ее конденсаторы). По этой же схеме тепловой насос можно использовать для утилизации тепла сбросных вод (воды, охлаждающей мартеновские и другие печи) химических аппаратов, канализационных вод банно-прачечных предприятий и др.

В работе А. А. Канаева также отмечается, что тепловой насос может иметь не только электрический, но и другой привод. В качестве такого привода предлагаются паровые и газовые турбины.

В 50-е годы значительный технический прогресс в советском машиностроении, развитие холодильной техники и строительство мощных гидроэлектростанций создали благоприятные условия для широкомасштабного применения ТНУ. Для теплоснабжения были предложены конкретные проекты применения ТНУ, использующих разные источники теплоты. Например, в качестве источника низкопотенциальной теплоты было предложено использовать теплоту, выделяющуюся в генераторах и трансформаторах ГЭС. Отмечена возможность использования одних и тех же отопительных приборов, как для отопления, так и для охлаждения в летнее время.

В 1952 г. проводилось Всесоюзное совещание по вопросу применения ТН в народном хозяйстве СССР. Была дана положительная оценка работе, выполненной в ряде центров Советского Союза в области тепловых насосов, и принят ряд рекомендаций по уточнению дальнейшей направленности теоретических и практических работ в данной области.

В начале 50-х годов в СССР были найдены большие залежи нефти и природного газа, поэтому теплоснабжение и энергетика были ориентированы на газовое и жидкое топливо. В это время тепловые насосы были признаны нерентабельными, однако работы по их внедрению в стране продолжались.

В конце 50-х годов в г. Волжском была разработана и сооружена теплонасосная система отопления и круглогодичного кондиционирования воздуха в кинотеатре „Спутник". Установка состояла из трех одинаковых теплонасосных агрегатов, один из которых работал на водяную и два - на воздушную системы отопления.

В Грузинской ССР в течение многих лет под руководством академика АН ГССР В. И. Гомелаури и д-ра техн. наук О. Ш. Везиришвили велись работы по созданию ТНУ и их исследованию в эксплуатационных условиях.

В начале 50-х годов разработано техническое предложение о сооружении ТНУ на курорте Цхалтубо, где геотермальные воды после использования в лечебных целях сбрасываются с температурой около 30°С, практически постоянной в течение года. Зимой при работе ТНУ в режиме отопления здании санаторной зоны эти сбросные воды следует использовать в качестве теплоотдатчика, а летом при работе ТНУ в режиме кондиционирования воздуха – в качестве теплоприемника.

В 1958 г. проведено исследование опытной ТНУ с солнечными нагревателями, показавшее перспективность использования солнечной энергии в качестве источника теплоты для ТН в южных районах СССР.

Перспективным оказалось применение ТН в чайной промышленности. Технологические процессы переработки чайного листа (завяливания и сушки) осуществляются в потоках воздуха, нагреваемого соответственно до 45 и 85-90°С в воздухонагревателях, работающих на мазуте. Первая опытно-промышленная ТНУ была сооружена на Губской чайной фабрике в 1967 г. для теплоснабжения чаезавялочного агрегата и технологического кондиционирования воздуха роллерно-ферментационного цеха.

Климатические условия на курортах Черноморского побережья Кавказа и Южного берега Крыма благоприятны для широкого внедрения ТНУ не только по экономическим и экологическим соображениям, но и по сочетанию требуемых тепловых и холодильных мощностей. В Черноморской курортной зоне летние максимальные нагрузки хладоснабжения лишь на 10 - 25% превышают зимние максимальные нагрузки отопления. Их примерное равенство позволяет нагружать ТНУ достаточно равномерно в течение года, максимально используя установленную мощность.

ВНИПИэнергопромом выполнены первые разработки по применению крупных парокомпрессорных тепловых насосов в системах теплоснабжения. В качестве низкопотенциального источника тепла рассматривались теплота сбросных вод станций аэрации с минимальной среднемесячной температурой 14-16 °С (в частности, Люберецкая станция, принимающая канализационные стоки г. Москвы), системы оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Применение бромисто-литиевых тепловых насосов, утилизирующих теплоту водооборотных систем и работающих на горячей воде от котельной с температурой 160-180°С для централизованного теплоснабжения экономило около 21% топлива, потребляемого предприятием на теплоснабжение. Однако, при существующих в то время необоснованно низких ценах на топливо, срок окупаемости затрат составлял 8-9 лет.

ВНИИхолодмашем в 1986-1989 гг. был разработан ряд парокомпрессорных тепловых насосов тепловой мощностью от 17 кВт до 11,5 МВт десяти типоразмеров "вода-вода", двух типоразмеров "вода-воздух".

С 1987 по 1992 г.г. наиболее востребованные тепловые насосы 4-х типоразмеров: ТХУ14, НТ100, НТ300, НТ8500 были выпущены общей тепловой мощностью 40 МВт. Два наиболее крупных тепловых насоса НТ8500 были установленных на Светогорском целлюлозно-бумажном комбинате (ЦБК, г. Светогорск, Ленинградская обл.) общей тепловой мощностью 17 МВт. Они работали в замкнутом контуре охлаждения технологической воды, отводящей теплоту технологических процессов за счет ее утилизации.

После распада СССР и спада производства, почти все освоенные тепловые насосы и оказались невостребованными, а еще позже оказались физически и морально устаревшими (в большинстве из них в качестве хладона применялся ныне запрещенный фреон R12, конструкции теплообменных аппаратов требовали большого объема заправки дорогостоящего хладона, применялось большое количество арматуры, имеющей сальники и фланцы, уровень автоматизации, защиты и сигнализации был низок). В настоящее время практически не осталось действующего теплонасосного оборудования тех лет. Передовые же разработки советской науки в области тепловых насосов в результате научного и промышленного шпионажа стали достоянием зарубежных компаний.

В США, Японии, Германии, Швеции, Швейцарии, Австрии, Финляндии такие установки внедряются просто скоростными темпами. Впрочем, настоящим лидером использования тепловых насосов является все-таки Швеция, осуществляющая тотальную программу их внедрения. В этой стране для работы тепловых насосов активно используется вода Балтийского моря. Станция мощностью 320 МВт, используемая для теполоснабжения Стокгольма, расположена на шести баржах, причаленных к берегу. К настоящему времени в мире эксплуатируются свыше 15 млн. тепловых насосов мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт, а рынок ежегодных продаж составляет порядка миллиона установок.

По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 г. в развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться на 80% с помощью тепловых насосов. Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе (его специалисты называют низко-потенциальным теплом.) Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 4-7 кВт тепловой энергии.

Тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения.

Принцип действия современного геотермального теплового насоса основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче в систему отопления здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. В испаритель насоса поступает жидкость от низкопотенциального источника тепла. Фреон подбирается такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду прогоняют насосом через каналы испарителя, жидкий фреон все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый фреон направляется в теплообменник конденсатора, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения, а фреон, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Все. Цикл завершился и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор. Конструкция теплового насоса исключает попадание хладона в водяные магистрали систем отопления, горячего водоснабжения и окружающую среду
Описанная схема работы относится к агрегатам так называемого парокомпрессионного цикла. Помимо этих машин, существуют также насосы абсорбционные, термоэлектрические, эжекторные. В бытовых установках используют в основном парокомпрессионные машины. Тепловой насос, подобно холодильнику, охлаждает жидкость (отбирает тепло), при этом жидкость охлаждается приблизительно на 5 °С. Жидкость снова течет по трубе в наружном грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу. Отобранное тепловым насосом тепло передается системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Рис. 7. Принцип работы современных тепловых насосов.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около +10°С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1...+2°С, и возвращает воду под землю. Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль".

То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, скалы и т.д. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что тепловой насос может греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать, например, ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда...

Одно оборудование может выполнить все функции по тепло-холодоснабжению здания.