Задача: спроектировать учебную теплонасосную установку, рассчитав все необходимые конструктивные элементы, и собрать её для дальнейшего проведения лабораторных работ. Два года назад её решение осуществил выпускник Иркутского национального исследовательского технического университета Даниил Федин. «Это лучшая дипломная работа, которую я видел», – убеждён заместитель министра жилищной политики, энергетики и транспорта Иркутской области Александр Трифонов, благодаря которому мы и узнали об этой разработке. Тему для неё предложил заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения ИрНИТУ Михаил Толстой, которому тема возобновляемой энергетики близка, пожалуй, как никому другому – по совместительству он возглавляет инновационный центр «Энергоэффективность». 

«Больше тепла, чем при сжигании топлива»

«Принцип работы теплового насоса достаточно прост: для передачи тепла используется легкокипящая жидкость, которая закипает при небольшом давлении, – объясняет Михаил Юрьевич. – Для работы компрессора, создающего давление, требуется меньше энергии, чем необходимо для нагрева». Всё подчинено одной цели – переносу тепла от холодного источника в горячий, используемый для отопления. Если взглянуть с позиций термодинамики, то тепловой насос представляет собой «холодильник наоборот» и состоит из тех же элементов. Низкопотенциальное тепло поступает в испаритель, где его воспринимает хладагент, циркулирующий в замкнутом контуре. Последний поступает в испаритель в жидком состоянии, но при подводе теплоты превращается в пар, который, в свою очередь, подают в компрессор. Там пар сжимается, что приводит к повышению его  давления и температуры. После нагрева  он поступает в конденсатор, где отдаёт своё тепло в систему отопления. Этот процесс приводит к превращению пара в жидкость, которая поступает в дроссель, где её давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низкопотенциального источника. 

В роли источника последнего могут выступать атмосферный воздух или вентиляционные выбросы зданий и сооружений, тепло поверхностных слоёв грунта или незамерзающих водоёмов, канализационные стоки или сбросное тепло технологических процессов. Например, в Байкальском музее ИНЦ СО РАН, расположенном в Листвянке, отбор идёт непосредственно из озера, температура которого даже в самые холодные январские дни держится в районе плюс 1 градуса по Цельсию. «Тем есть определённая хитрость: воду сначала подают в аквариумы, так что она нагревается градусов до семи, и только после этого она доходит до тепловых насосов», – рассказывает собеседник «Сибирского энергетика». Их два, потребляемая мощность каждого составляет 40 кВт. Этого достаточно, чтобы удовлетворить нужды здания, для отопления которого раньше использовали два электрических котла по 100 кВт. Что лишь подтверждает строчку из дипломной работы Федина: «Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1–2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива».

И медные трубы

Поскольку принцип работы теплонасосной установки известен с середины XIX века, а промышленные образцы используются не один десяток лет, выпускник ИрНИТУ воспользовался уже существующей схемой сборки, доработав её в соответствии с условиями задачи. Для демонстрации её работы нужны два бака для воды по 61 литру. Один из них выполняет функцию условного бака-аккумулятора горячей воды, другой – условного источника низкопотенциального тепла. В каждом размещается спиральный теплообменник из медной трубы. Холодильный контур состоит из компрессора, испарителя и конденсатора (идентичных спиралевидных конструкций из медной трубы, различающихся длиной и диаметром), терморегулирующего вентиля, магистральных трубопроводов высокого и низкого давления, манометров, фильтра и прочих необходимых для работы элементов. Всей системой управляет микроконтроллер. 

Для создания теплового насоса было использовано широко распространённое стандартное оборудование. В частности, ротативный компрессор Mitsubishi Heavy Industries мощностью 1 кВт с тепловым потенциалом 3 кВт, предназначенный для работы на фреоне R-22. Агрегат, среди прочего, оборудован встроенной защитой от высоких токов и тепловой защитой от высокой перегрузки. А пульт управления, между тем, сделан нестандартным: помимо привычных реле, автоматических выключателей, индикаторов и кнопок, он оборудован счётчиком электроэнергии, вольтметром и амперметром. Установка обладает ещё одной необычной особенностью – её можно использовать как для отопления, так и для охлаждения помещения. Для этого достаточно всего лишь повернуть переключатель режимов. 

Коэффициент преобразования теплонасосной установки, собранной Даниилом Фединым, составляет 2,5. То есть на киловатт-час затраченной электрической энергии она выдаёт 2,5 кВт-ч или 0,00215 гигакалории тепловой. «На самом деле это не совсем корректное сравнение, поскольку тепловая энергия по своей природе отличается от электрической, но другого на сегодняшний день не придумали», – отмечает Толстой. По меркам промышленных тепловых насосов такой показатель не является выдающимся, но речь идёт об экспериментальной установке, показатели которой ещё можно улучшить. К примеру,  сменив тип хладагента или утеплив баки, один из которых теряет тепло. Кроме того, её создание обошлось дешевле, чем производство серийного образца: дипломник не стал раскрывать цену компонентов, но, по расчётам его руководителя, она составила 150–200 тыс. рублей. Правда, тогда доллар стоил около 30 рублей, так что цена иностранных комплектующих была ниже. 

Для лечения и отопления

Появление в техническом университете нового учебного пособия, созданного его выпускником, подвигло других студентов на продолжение научного поиска. Так возникли расчёты по установке аналогичных тепловых насосов в населённых пунктах Бурятии, где располагаются бальнеологические курорты, – Горячинске, Дзелинде и Гоуджеките. «Здесь перспективы намного лучше: или получать низкопотенциальное тепло от +4 или +7 градусов, или использовать подогретую до 55 градусов воду, – констатирует заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения ИрНИТУ. – В Горячинске вообще уникальная ситуация: по Байкалу приходится везти уголь для местной котельной, которая отапливает здание, где горячая вода используется для лечения». 

На нужды курорта требуется только 0,85 МВт, тогда как две уже имеющиеся рабочие скважины могут выдать 1,7 МВт. Потенциал всего месторождения геотермальных вод оценивается в 98–100 МВт. Четыре года назад учёные из Иркутска уже предлагали построить на его «борту» тепловую станцию. Предполагаемые затраты на реализацию этого проекта по тем ценам составляли 14 млн рублей. Однако пока не нашёлся инвестор, готовый взять их на себя. Но пусть именно этот проект пока не реализован, в Иркутском национальном исследовательском техническом университете появилось наглядное пособие для тех, кому в будущем предстоит претворять в жизнь подобные задумки.