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.

1.1. ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК. Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонаносную 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. 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. Как видно из рис. 1.1, 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.

1.2. ДВАДЦАТЫЙ ВЕК. Холодильные машины развивались уже в конце XIX в., но тепловые насосы получили быстрое развитие лишь в 20-х 30-х годах, когда в Англии была создана первая теплонаносная 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 теплонаносная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладагент (5). 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. Эта и другие швейцарские установки перечислены в табл. 1.1. Цель создания этих установок - сокращение потребления угля в стране. Некоторые из них успешно работают более 30 лет.

1.2.1. ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В АНГЛИИ. Первый английский тепловой насос для крупного здания объемом 14 200 м3 был установлен в Норвиче, его схема показана на рис. 1.2. Источник тепла - речная вода. Температура подаваемой воды 50°С. Хладагентом была двуокись серы, коэффициент преобразования (КОП, СОР) 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 теплонасосная 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 "Rolls-Royce Merlin" 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 хладагента применен R12, 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£(в ценах 1953 г.), тогда как при правильном выборе нагрузок они составили бы 52 500£.