Тепловые насосы на CO₂
Каждую зиму разговоры про отопление и квитанции возвращаются. И вместе с ними — вопрос: а тепловые насосы, это правда работает или реклама? И зачем в них CO₂, который все привыкли считать чем-то, от чего надо избавляться.
Попробую разложить по полочкам — тема мне не чужая: в 2010–2011 годах я занимался выбором рабочих веществ и схем для тепловых насосов городского масштаба.
Холодильник, кондиционер и тепловой насос — в чём разница
Как я писал в разборе про Гаврилу Черепанова, холодильник — тот же паровоз, только наоборот. Правильнее так: тепловой насос не производит тепло, а перекачивает его из холодного места в горячее, затрачивая работу компрессора.
Холодильник перекачивает тепло из камеры на кухню, кондиционер — из комнаты на улицу, тепловой насос — наоборот: с улицы, грунта или воды в ваш дом. Цикл везде один, разница — в направлении.
Отсюда главная цифра: на 1 кВт электроэнергии тепловой насос отдаёт 3–5 кВт тепла. Тепло берётся не из ничего — оно перекачивается; строго говоря, тут говорят не о КПД, а о коэффициенте преобразования.
Почему CO₂
Углекислый газ в холодильной технике обозначают R-744. Новинкой он не считается: как хладагент CO₂ применяли ещё в начале XX века, а потом его вытеснили фреоны.
Потом наступили интересные времена. Монреальский протокол 1987 года показал, что фреоны разрушают озоновый слой. Киотский протокол 1997-го — что у многих заменителей потенциал глобального потепления в тысячи раз выше, чем у CO₂.
У R-744 сплошные достоинства: потенциал разрушения озона — ноль, потенциал глобального потепления — единица (он и есть база сравнения). Не горит, не токсичен, дёшев и доступен: углекислый газ продают везде.
Плата за это — давление: критическая точка CO₂ около 31 °C и 74 бар. Простыми словами, «сконденсировать» его при обычных условиях нельзя — цикл работает в транскритическом режиме, и вместо конденсатора в схеме стоит газоохладитель. Зато высокая температура нагнетания: CO₂ отлично греет воду до 70–80 °C — для горячего водоснабжения и теплосетей самое то.
Дом: единицы киловатт
Частному дому нужно 5–20 кВт тепла — смотря по площади и утеплению. Источник низкотемпературного тепла — воздух, грунт, вода из скважины или канализация (да, и она тоже).
Тепловые насосы на CO₂ для дома — не экзотика. Насколько мне известно, в Японии CO₂-бойлеры для горячего водоснабжения массово продаются с начала 2000-х: у нас это удел энтузиастов, а там — промышленный масштаб.
Для дома CO₂ хорош именно горячей водой: дешёвое тепло в бойлер на 70–90 °C, которое у обычных «фреоновых» насосов получить заметно сложнее.
Город: до 100 МВт
А теперь другой масштаб. Городское теплоснабжение: тепло идёт по трубам в тысячи квартир. Источники те же — река, канализация, сбросы промышленного тепла, дата-центры, — но мощности измеряются десятками и сотнями мегаватт.
Вот тут мои научные работы, которые мне поручила кафедра. В 2010 году — «Выбор рабочих веществ и принципиальных схем тепловых насосов для нужд городского теплоснабжения», в 2011-м — «Энергоэффективные схемы теплонасосных установок на диоксиде углерода мощностью до 100 МВт». Обе — материалы конференции «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур».
Грубо говоря, 100 МВт — это тепло для целого района города. И «мелочи» вроде выбора схемы тут уже не мелочи: одно- или двухступенчатое сжатие, промежуточное охлаждение, подключение к сети. Каждый процент тепла на киловатт электроэнергии превращается в большие деньги.
Какие схемы в итоге выигрывают и почему — история с диаграммами и цифрами, она заслуживает отдельного разговора. Расскажу в следующий раз.
Агрокомплексы: и холод, и тепло
Есть ещё площадка, где тепловые насосы особенно уместны, — сельское хозяйство. В 2021 году мы с Чернявской В.В. писали о теплонасосных системах для энергосбережения в агрокомплексах.
Логика простая. В агрокомплексе одновременно нужны и холод (молочное хозяйство, овощехранилища, животноводческие помещения), и тепло (теплицы, подогрев воды). Обычно холод выбрасывают на улицу, а тепло докупают.
Тепловой насос совмещает все это: забирает тепло там, где оно мешает, и отдаёт туда, где оно нужно.
Что мешает
Честно — не всё так красиво.
- Цена. Дороже обычного котла — окупается там, где тепло нужно круглый год.
- Перепад температур. Чем холоднее источник и горячее потребитель, тем ниже коэффициент преобразования.
- Давление. CO₂ — это десятки атмосфер: нужно и оборудование под них, а главное люди, умеющие с ним работать.
Итак, резюмируем
Тепловой насос — не «вечный двигатель-произоводитель тепла», а насос, который перекачивает тепло оттуда, где оно не нужно, туда, где нужно. CO₂ — старое-новое рабочее вещество: экологичное, дешёвое, с высокой температурой нагнетания и ценой в виде высокого давления. Масштабируется — от бойлера в доме до городских сетей на 100 МВт.
Если захотите копнуть глубже — на сайте в разделе «Наука» лежат p-i (p-h) диаграммы хладагентов, включая CO₂: по ним видно, о каких давлениях и температурах речь. Не претендую на истину в последней инстанции, но надеюсь, теперь «тепловой насос» звучит менее загадочно.
Холод — это не отсутствие тепла, а тепло, перекачанное в другое место. Такие дела.
Обсудить разбор можно в группе ВК — там как раз задают вопросы инженеру.
Источники
- Ермолаев А.Е. Выбор рабочих веществ и принципиальных схем тепловых насосов для нужд городского теплоснабжения // «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (МГУИЭ-ГАСИС). — 2010. — С. 67–70.
- Ермолаев А.Е. Энергоэффективные схемы теплонасосных установок на диоксиде углерода мощностью до 100 МВт // Материалы конф. «Инновационные разработки…». — 2011.
- Чернявская В.В., Ермолаев А.Е. Теплонасосные системы для энергосбережения в агрокомплексах // «Актуальные вопросы тепло- и электроэнергетики», ВНТК, Грозный. — 2021. — С. 105–109.