Абсорбционный тепловой насос (АБТН): как вернуть бросовое тепло
основатель и генеральный директор «Энергии холода»
Абсорбционный тепловой насос (АБТН) берёт тёплую воду 25–50 °C, которую завод сегодня охлаждает на градирне, добавляет пар, газ или горячую воду и отдаёт потребителю воду 60–105 °C. Одноступенчатая машина выдаёт 1,65–1,75 кВт тепла на 1 кВт греющего, то есть около 40 % тепла достаётся даром. Против газового котла это экономия около трети газа.
В России тема пока почти пустая, хотя бросового тепла хватает: оборотная вода градирен, сбросы после процесса, обратная сетевая вода, контуры охлаждения дата-центров. «Энергия холода» — представитель Thermax, тепловые насосы мы не производим, а подбираем, поставляем и запускаем. Ниже — как машина работает, где окупается и что мы узнали на своём объекте в Беларуси.
Что такое абсорбционный тепловой насос?
АБТН — это абсорбционная бромистолитиевая машина, которая делает полезное тепло из сбросного за счёт греющей среды. Внутри те же аппараты, что у абсорбционной холодильной машины: генератор, конденсатор, испаритель, абсорбер; хладагент — вода, абсорбент — раствор бромистого лития.
Проще всего держать в голове одну фразу: тепловой насос — это чиллер, у которого градирню заменили потребителем тепла.
| АБХМ | АБТН первого типа | |
|---|---|---|
| Продукт | холодная вода из испарителя | горячая вода из абсорбера и конденсатора |
| Испаритель подключён к | потребителю холода | бросовому потоку заказчика |
| Абсорбер и конденсатор подключены к | градирне | потребителю тепла |
| Температура продукта | стандарт +7/+12 °C | 35–90 °C, по подборам до 105 °C |
| Если продукт не нужен | градирня примет любое тепло | потребитель «наелся» — машина встаёт |
Как устроена холодильная машина того же семейства, я разбирал в статье что такое АБХМ.
Как работает абсорбционный тепловой насос первого типа?
Греющая среда — пар, газ или горячая вода — выпаривает воду из раствора бромистого лития в генераторе. Водяной пар конденсируется в конденсаторе и греет нагреваемую воду. Конденсат кипит в испарителе под вакуумом и отбирает тепло у бросового потока, а этот пар поглощает раствор в абсорбере и тоже греет нагреваемую воду.
Баланс машины читается одной строкой: тепло потребителю = тепло греющей среды + тепло бросового потока. Тепловой коэффициент (COP) — отношение тепла потребителю к теплу, подведённому в генератор. У одноступенчатой машины он 1,65–1,75, у двухступенчатой — 2,05–2,15. Меньше единицы у первого типа он быть не может.
Пример на нашей машине Thermax SS 70B TP: бросовая вода 40 → 25 °C отдаёт 3909 кВт, пар 6,5 бар — 5312 кВт, потребитель получает 9221 кВт воды 45 → 85 °C. Коэффициент 1,74. На каждые 100 кВт горячей воды машина тратит 58 кВт пара, остальные 42 кВт берёт из воды, которая раньше уходила в градирню.
Чем тепловой насос отличается от термотрансформатора?
Первый тип увеличивает количество тепла, второй — поднимает температуру части бросового тепла без внешнего топлива. Путаница между ними — самая частая ошибка в техническом задании.
| Тип 1 — тепловой насос | Тип 2 — термотрансформатор | |
|---|---|---|
| Чем греем | дорогое тепло + бросовое | только бросовое |
| Что ещё нужно | потребитель, способный принять всё тепло | холодная среда для сброса: вода 15–20 °C |
| Тепловой коэффициент | 1,65–1,75 (одна ступень), 2,05–2,15 (две) | около 0,5 |
| Подъём температуры одной ступенью | 30–60 °C | 15–30 °C |
| Распространённость | основная часть мирового парка | единичные установки |
Сравнивать 0,5 и 1,7 напрямую нельзя: у первого типа в знаменателе купленное топливо, у второго — тепло, которое и так выбрасывали. В референс-листе Thermax из 74 экспортных тепловых насосов второго типа только четыре.
Где выгодно ставить абсорбционный тепловой насос?
АБТН имеет смысл, когда на площадке одновременно есть три вещи. Нет хотя бы одной — проекта, скорее всего, нет.
1. Постоянный поток тёплой воды 25–50 °C, который сейчас уходит в градирню, канализацию или реку.
2. Потребитель горячей воды 60–105 °C: технология, мойка, подогрев питательной воды котла, теплосеть, горячее водоснабжение.
3. Греющая среда: пар 2–10 бар, горячая вода 140–180 °C, выхлопные газы 275–600 °C или газ для прямого сжигания.
Нет потребителя — тепло девать некуда, нет бросового потока — машина превращается в дорогой котёл. Экономику делают часы:
| Источник бросового тепла | Часов в году | Оценка |
|---|---|---|
| Технологический контур непрерывного производства | 8000+ | лучший случай |
| Оборотная вода круглогодичной градирни | 7000–8000 | очень хорошо |
| Контур охлаждения дата-центра | 8760 | очень хорошо |
| Обратная сетевая вода | 5000–6000 | средне |
| Градирня, работающая только летом | 2500–3500 | плохо |
| Сезонный техпроцесс | 1500–2500 | как правило, не проходит |
Типовые объекты — ТЭЦ и котельные, целлюлозно-бумажные комбинаты, химия, пищевые производства. Главный мировой рынок АБТН — районное теплоснабжение Дании и Швеции.
Что выгоднее: АБТН, котёл или электрический тепловой насос?
Без бросового источника АБТН проигрывает котлу: котёл проще, дешевле и монтируется быстрее. Когда источник есть, расчёт меняется. Возьмём реальный подбор Thermax GS 20A P на газе: источник 60 → 50 °C, горячая вода 70 → 90 °C, 1003 кВт тепла, 7000 часов в год, котёл для сравнения с КПД 0,92.
| Показатель | АБТН GS 20A P | Газовый котёл |
|---|---|---|
| Тепло потребителю | 1003 кВт | 1003 кВт |
| Взято у бросовой воды | 422 кВт | — |
| Газ | 61,2 м³/ч | 97,1 м³/ч |
| Экономия газа | 35,9 м³/ч, 37 % | база сравнения |
| Экономия за 7000 часов | около 251 000 м³ | — |
Здесь два коэффициента, и их важно не путать. 1,72 — эффективность цикла, ею сравнивают машины. 1,46 — эффективность от газового счётчика с учётом горелки, ею считают деньги.
Электрический тепловой насос тратит электричество, абсорбционный — тепло: его собственное электропотребление 0,3–0,4 % от выданного тепла. Электрическому насосу на 5 МВт тепла нужно порядка 1,5–2 МВт электрической мощности, а на многих заводах такого резерва нет.
Второе отличие — потолок температуры. По отчёту Международного энергетического агентства о промышленных тепловых насосах, большинство серийных электрических машин дают ниже 65 °C, абсорбционные — 90–105 °C. Электрический насос — для небольшой мощности и 60–65 °C, абсорбционный — когда есть пар или газ, нужны мегаватты и вода выше 65 °C.
Насколько АБТН может поднять температуру?
Температурный подъём — это разница между температурой горячей воды на выходе и температурой бросового источника на входе. Одноступенчатая машина уверенно поднимает до 40 °C, рабочий предел по брошюре Thermax — 55 °C. Чем больше подъём, тем ниже коэффициент.
| Подъём | Тепловой коэффициент | Что это значит |
|---|---|---|
| до 40 °C | 1,65–1,75 | штатная задача |
| 40–55 °C | 1,5–1,65 | рабочая задача |
| 55–65 °C | 1,3–1,5 | на грани, нужно подтверждение завода |
| больше 65 °C | 1,2–1,3 | только под конкретный подбор |
| больше 80 °C | — | одной ступенью не решается, нужен каскад из двух машин |
Подъём ограничивает раствор: чтобы отдать тепло воде 90 °C, он должен быть очень крепким, а это приближает кристаллизацию. Поэтому в задании пишите обе температуры: «источник 24 °C, выход 70 °C», а не «подъём 46 °C».
Как работает АБТН на Светлогорском ЦКК?
Наш объект с абсорбционными тепловыми насосами — Светлогорский целлюлозно-картонный комбинат в Беларуси. Две машины Thermax первого типа на паре снимают тепло с бросовой воды и нагревают технологическую воду. Мы поставили оборудование, провели шеф-монтаж и пусконаладку.
| Параметр | SS 40C TP | SS 70B TP |
|---|---|---|
| Бросовая вода | 40 → 25 °C, 84,1 м³/ч | 40 → 25 °C, 226,2 м³/ч |
| Тепло, снятое с бросовой воды | 1453 кВт | 3909 кВт |
| Пар 6,5 бар | 3039 кг/ч, 2005 кВт | 8098 кг/ч, 5312 кВт |
| Нагреваемая вода | 45 → 85 °C, 75 м³/ч | 45 → 85 °C, 200 м³/ч |
| Тепловая мощность | 3458 кВт | 9221 кВт |
| Тепловой коэффициент | 1,72 | 1,74 |
Обе машины работают на одной температурной паре: подъём 45 °C, доля бесплатного тепла 42 %. Вместе они снимают с бросовой воды около 5,4 МВт и отдают 12,7 МВт горячей воды. Оборудование пришло на площадку в декабре 2022 года, большую машину пустили в декабре 2023-го, пуск второй запланирован после реконструкции теплоисточника комбината.
Два вывода с этого объекта для проектировщика. Машина приходит пустой, раствор едет отдельно, а рабочая масса на 40 % больше сухой — плиту считают по рабочей. Паспорт и договорная спецификация могут расходиться в габаритах и электрике, поэтому их берут по большему значению.
Можно ли отапливать дома теплом дата-центра?
Можно, и для этого АБТН подходит лучше всего. Вода охлаждения серверов 30–45 °C идёт в испаритель, горячая вода 65–90 °C — на отопление, соседям или в теплосеть. Каждый дата-центр — огромная печка, а его тепло сегодня сдувают в атмосферу через градирни.
Условия жёсткие. Машина стоит параллельно штатной системе охлаждения, через разделительный теплообменник и со своим насосом, чтобы её остановка ничего не меняла в контуре серверов. Отопление сезонное, а дата-центр греет круглый год, поэтому круглогодичный сток тепла — теплицы, соседнее производство, подпитку теплосети — ищут заранее.
В Германии уже вышел закон, обязывающий владельцев мощных дата-центров утилизировать своё тепло. В России до этого далеко, но мы сейчас прорабатываем такой проект для дата-центра. Как дата-центр экономит электричество на самом охлаждении, я разбирал в статье про АБХМ для ЦОД.
Какие ошибки чаще всего делают в проекте АБТН?
Почти все ошибки идут от исходных данных, а не от машины:
1. Температура источника по паспорту или на пике. Зимой и в ночную смену машина не выходит на мощность. В расчёт идёт минимальная устойчивая температура из журнала за год.
2. Подъём посчитан от обратной воды, а не от источника. Подъём занижен, коэффициент завышен, мощность не подтвердится.
3. Нет стока тепла на лето. Потребитель отключился, машина уходит в разбавление и стоит, а пар тратится впустую. Нужна резервная градирня или сухой охладитель.
4. Оборотная вода открытой градирни без разделительного теплообменника. Трубки испарителя зарастают за сезон, потому что подбор сделан по чистым трубкам.
5. Машина на пиковую нагрузку. Частые пуски, мало часов, плохая окупаемость. Машина держит базу, котёл — пики и резерв.
Что в итоге
1. Абсорбционный тепловой насос делает горячую воду 60–105 °C из бросовой воды 25–50 °C и греющей среды: пара, газа, горячей воды или выхлопа.
2. Одноступенчатая машина даёт коэффициент 1,65–1,75: около 40 % полезного тепла берётся у бросовой воды бесплатно.
3. Против газового котла АБТН экономит около трети газа: в подборе GS 20A P — 37 %, около 251 000 м³ за 7000 часов.
4. На Светлогорском ЦКК две машины Thermax снимают с бросовой воды около 5,4 МВт и отдают 12,7 МВт горячей воды 85 °C с коэффициентом 1,72–1,74.
Частые вопросы
Сколько электричества потребляет абсорбционный тепловой насос?
0,3–0,4 % от выданного тепла: только насосы раствора и щит. Машина на 9221 кВт тепла потребляет 28,9 кВА. Электрическому тепловому насосу на 5 МВт тепла нужно порядка 1,5–2 МВт электрической мощности.
Куда девать тепло летом, когда отопление не нужно?
На резервный сток: градирню или сухой охладитель на остаток мощности. Без него машина упирается в верхний предел температуры и останавливается. Лучше сразу искать круглогодичного потребителя — технологию или горячее водоснабжение.
Можно ли сделать одной машиной и холод, и тепло?
Да, это исполнение «холод + тепло» (chiller-heater): летом холод, зимой тепло или оба продукта сразу. По брошюре Thermax одна машина вместо раздельных чиллера и водогрейного генератора экономит до 32 % пара. Оправдано, если каждый режим набирает от 2500–3000 часов в год.
Источники
-
IEA Heat Pumping Technologies, Annex 35 / IETS Annex 13 «Application of Industrial Heat Pumps», 2010–2014: страница проекта.
-
Herold K. E., Klein S. A., Radermacher R. Absorption Chillers and Heat Pumps — цикл и коэффициент термотрансформатора.
-
Thermax: брошюры Absorption Heat Pump XP и Heat Pump Chiller XP, референс-лист тепловых насосов, листы технических данных подборов SS и GS.
-
Опыт и расчёты «Энергии холода»: поставка, шеф-монтаж и пусконаладка тепловых насосов Thermax на Светлогорском ЦКК; расчёт против котла по подбору GS 20A P.
Другие статьи — в разделах Энергоэффективность и АБХМ и тригенерация; если на площадке есть газопоршневая установка, читайте про тригенерацию.
Подобрать решение под ваш объект — получить консультацию