Советский опыт применения тепловых насосов

Инициатором теплонасосного теплоснабжения в СССР был физик Владимир Александрович Михельсон (1860–1927), который в 1926 году опубликовал статью о солнечной системе теплоснабжения с тепловым насосом (ТН). Практический опыт применения тепловых насосов, в том числе в геотермальном теплоснабжении, был накоплен в 1950-х годах в грузинской школе теплонасосных установок.

Лидером этой школы был академик Вахтанг Иванович Гомелаури, который в 1953 году в журнале «Холодильная техника» в соавторстве с А. И. Мусхелишвили опубликовал статью об использовании тепло-насосных установок (ТНУ) для утилизации отработанных геотермальных вод для теплоснабжения санаторных объектов. В 1970-х годах д.т.н. Отаром Шаловичем Везиришвили были разработаны и построены в Абхазии несколько поверхностных геотермальных систем теплоснабжения (ПГСТ) с использованием тепла морской воды Чёрного моря, в том числе торговый центр в городе Сухуми (1971) и курортный зал в городе Пицунда (1977).

Дом отдыха «Гумиста» в Сухуми был оборудован первой в СССР гелио-ТНУ

Д.т.н. О. Ш. Везиришвили совместно с д.т.н. Нукзаром Варлановичем Меладзе в эти же годы в Сухуми для дома отдыха «Гумиста» построили первую в СССР гелио-теплонасосную установку площадью 980 м². Все грузинские ТНУ использовали адаптированные советские холодильные машины ХМФУУ-80 тепловой мощностью 145 кВт. На основе многолетнего опыта разработки и эксплуатации ТНУ с участием указанных авторов в 1986 году были разработаны «Рекомендации» [9], которые в том числе включали методику расчёта оптимальной производительности ТН и технико-экономическое обоснование их применения. В 1987-м ими же были разработаны «Методические указания по определению экономической эффективности установок с использованием ВИЭ», в котором оценивался их потенциал с приложением базы расчётных данных солнечной радиации, скоростей ветра, температур водоёмов, воздуха, грунтов регионов Грузии.

В СССР разработкой холодильных машин и тепловых насосов занимался институт ВНИИхолодмаш (Москва). Однако адаптированные им для работы в теплонасосном режиме холодильные машины быстро выходили из строя. Основной причиной было то, что соотношение давлений хладагента на входе и выходе из них было существенно выше, чем у обычных холодильных машин (6–7 и 9–10, соответственно). Автор данной статьи в 1982–1984 годах при эксплуатации компрессора А-220–0 производства московского завода «Компрессор» в режиме геотермального теплового насоса на своём опыте убедился в повышенном износе кривошипно-шатунного механизма, проблемах с маслохозяйством и автоматикой. Вследствие низкой надёжности таких машин при проектировании ТНУ на морской воде в городе Ялте на каждый блок «испаритель-конденсатор» были установлены по два компрессора (рабочий и резервный).

В СССР головной организацией по проектированию теплонасосных установок был институт ВНИПИэнергопром (Москва), крымский филиал которого в 1986 году разработал проект ТНУ для пансионата «Дружба» в Ялте с использованием тепла морской воды. Данная демонстрационная ТНУ расчётной тепловой мощностью 2,1 МВт являлась советской учебно-методической базой по подготовке специалистов для эксплуатации этого оборудования.

Пансионат «Дружба» (посёлок Курпаты, городской округ Ялта) послужил экспериментальной площадкой для демонстрационной ТНУ (2,1 МВт) с использованием тепла морской воды

Всего крымским филиалом института ВНИПИэнергопром было разработано 26 проектов теплонасосных установок с 117-ю тепловыми насосами общей тепловой мощностью 165 МВт, в том числе геотермальных и с использованием тепла морской воды. При обобщении этого опыта головным институтом ВНИПИэнергопром в 1986 году были разработаны «Методические указания».

В 1980-х годах разработкой проектов ТНУ занимался также московский Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования инженерного оборудования (ЦНИИ ЭПИО), который в 1986 году разработал соответствующие «Рекомендации».

В 1987 году совместным постановлением ведущих структур советского правительства, Госпланом, Бюро Совета Министров по ТЭК, Госкомитетом по науке и технике были разработан и утверждён к реализации комплекс мероприятий по увеличению использования ВИЭ в народном хозяйстве СССР в 1987–1990 годах. Предусматривалось в том числе построить теплонасосные установки общей тепловой мощностью 320 МВт.

Таким образом, в СССР была создана теоретическая теплофизическая база оценки поверхностных геотермальных ресурсов, производилось адаптированное для работы в теплонасосном режиме оборудование, были разработаны методические материалы по проектированию ТНУ, сооружались десятки установок, велась подготовка эксплуатационных кадров.

Российский опыт в 1992–2000 годах

В 1990-е годы в России было освоено производство специализированных тепловых насосов. Парокомпрессионные ТН производил в Москве завод по выпуску холодильных машин «Компрессор» (тип НТ-410 мощностью 400 кВт), а в городе Рыбинске — Рыбинский завод приборостроения (тип АНТУ мощностью 10,3; 12,0; 14,0 кВт). Абсорбционные ТН производили в Новосибирске ООО «Термонасос» и ОКБ «Теплосибмаш».

В эти годы ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская, созданная академиком Владимиром Елифирьевичем Накорякиным (1935–2018) и его учениками. К.т.н. Юрий Маркович Петин (1939–2017) в Новосибирске организовал производство типоряда ТН мощностью от 100 кВт до 5 МВт. За десять лет, в 1990–2000 годах, под его руководством ЗАО «Энергия» произвела 126 машин общей мощностью 40 МВт. В этом же городе ученик В. Е. Накорякина д.т.н. Сергей Львович Елистратов выполнил исследования теплонасосных технологий с обширным перечнем актуальной литературы (321 наименование).

Абсорбционные ТН были разработаны и изготовлены в 1994 году в новосибирском Институте теплофизики СО РАН на основе собственных НИР и ОКР, а также результатов исследований Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ, ныне присоединён к Университету ИТМО). Базовые модели АБНТ-2000П (с паровым обогревом) и АБНТ-5000Т (с газовым или мазутным обогревом) имели мощности 2 и 5 МВт, соответственно. Инициатором производства применения абсорбционных ТН является к.т.н. Валерий Гаврилович Горшков (1941 г.р.).

В 1999 году по инициативе новосибирских учёных и инженеров была разработана и утверждена единственная в России региональная программа массового внедрения теплонасосных установок в 30 сёлах, деревнях и городах Новосибирской области.

Известным российским специалистом д.т.н. Даниром Галимзяновичем Закировым (1939 г.р.) в 1990-е годы в городе Перми была создана школа применения тепловых насосов, в том числе с использованием тепла шахтных вод десятка горных предприятий, тепла канализационных стоков и т. п.

Высокой эффективностью и быстрой окупаемостью характеризуются децентрализованные (кольцевые) геотермальные теплонасосные системы. Эти кольцевые системы были разработаны в США. Они отличаются низкотемпературным водяным кольцевым контуром внутри здания и установкой реверсивных ТН в каждом помещении. Первая такая ГСТ в России была построена в 1991 году для восьмиэтажного здания Iris Congress Hotel в Москве (сейчас находится в составе сети Holiday Inn Hotels) на 195 номеров. Всего в помещениях отеля было установлено около 300 реверсивных ТН вида «вода-воздух». Особенностью данной системы является возможность перераспределения избыточных тепловых потоков между помещениями.

Децентрализованная ГСТ в 2007 году была построена в городе Краснодаре для отопления и кондиционирования административного здания с общим объёмом 10,2 тыс. м² с расчётными нагрузками отопления — 45 кВт, кондиционирования — 68 кВт. Перед зданием были пробурены 16 геотермальных скважин глубиной 90 м. Каждая скважина оборудована У-образной пластиковой трубой диаметром 32 мм. В подвесных потолках помещений здания смонтированы 16 тепловых насоса (вида «вода-вода») и проточно-вентиляционные установки. ТН работают в реверсивном режиме и летом сбрасывают избыточное тепло помещений в геотермальные скважины. Двенадцатилетний срок эксплуатации подтвердил основные проектные показатели системы, фактический срок окупаемости данной ГСТ составил шесть лет.

В книге А. Б. Алхасова представлены результаты работы ГСТ с гелиоустановкой, которая в межотопительный период восстанавливает тепловой режим горных пород после зимнего отвода тепла на отопление. Расчётная тепловая мощность ГСТ — 15 кВт. Скважинный теплообменник с обсадной трубой 148 мм и внутренней трубой 40 мм имеет глубину 100 м, площадь солнечных коллекторов — 20 м², тепловая мощность ТН «вода-вода» равна 9,4 кВт. На примере опытной эксплуатации этой ГСТ было показано, что отопление и горячее водоснабжение (ГВС) объекта в зимнее время возможно от скважинного теплообменника, а в летнее время обеспечение ГВС и пополнение тепловой энергии горных пород осуществляется теплоносителем гелиоустановки.

Опыт проектирования и эксплуатации ТН до 2015 года обобщался в журнале «Тепловые насосы», издававшимся в городе Харькове (Украина). На сайте этого журнала имеется обширная библиография российских, украинских и зарубежных публикаций.

Таким образом, в 1990–2000 годах в РФ было организовано производство и внедрение парокомпрессионных и абсорбционных ТН собственных конструкций. Зарубежное теплонасосное оборудование по экономическим показателям тогда было недоступно. Ведущей российской теплонасосной школой была новосибирская.