История тепловых насосов

ИСТОРИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Тепловой насос долгое время оставался термодина­мической загадкой, которой интересовались только преподаватели и исследователи. В настоящей главе описана начальная стадия ис­следований и история «умножителя тепла» лорда Кельвина.

1. ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК

Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практи­ческую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (впос­ледствии— лорд Кельвин) 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.

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.

2. ДВАДЦАТЫЙ ВЕК

Холодильные машины развивались уже в конце XIX в., но тепловые насосы получили быстрое развитие лишь в 20-х н 30-х го­дах, когда в Англии была создана первая тешюнасосная установ­ка. Холдэйн описал в 1930 г. испытание домашнего теплового насоса, предназначенного для отопления и горячего водоснабже­ния и использующего тепло окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию демонстрацион­ных установок, но до этой стадии было доведено сравнительно немного проектов, так как все они имели лишь частное финанси­рование.

Первая крупная тешюнасосная установка в Европе была вве­дена в действие в Цюрихе в 1938—1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладоагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. Цель создания этих ус» тановок — сокращение потребления угля в стране. Некоторые нз них успешно работают более 30 лет.

2.1. ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В АНГЛИИ

Первый английский тепловой насос для крупного здания объе­мом 14 200 м3 был установлен в Норвиче.

Источник тепла — речная вода. Температура подаваемой воды 50° С. Хладоагентом была двуокись серы, коэффициент преобразо­вания (КОП) 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.

В исторических обзорах чаще упоминается другая тешюнасос­ная 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 «КоПз-Коусе МегПп» 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 хладоагента применен К12, достигнут коэффициент преобразова­ния 5,1 и коэффициент первичной энергии (КПЭ) уста­новки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в ос­новном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения составили 103 200 ф. ст. (в ценах 1953 г.), тогда как при правиль-пом выборе нагрузок они составили бы 52 500.

Один из первых успешно работавших 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 за-тем — 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 работает в настоя�