Современное отопительное оборудование, обладающее высокой энергоэффективностью и экологической безопасностью, становится все более востребованным в условиях глобального перехода на использование возобновляемых источников энергии. Одним из перспективных решений в этой области являются транскритические тепловые насосы, работающие на углекислом газе (CO2). Особенность таких систем заключается в работе с природным хладагентом, обладающим низким потенциалом глобального потепления и хорошими термодинамическими свойствами. В последние годы одной из центральных тем исследований становится использование эжекторов в этих системах, позволяющих повысить общую производительность и снизить энергозатраты. При этом важно понимать различия между системами с эжекторами и без них, а также оценивать преимущества и возможные ограничения каждой схемы.
Транскритические системы тепловых насосов на CO2 основываются на использовании характеристик хладагента в его суб- и сверхкритических состояниях. Это позволяет достигать значительно более высоких температур нагреваемой воды, что важно для бытового и коммерческого водоснабжения, а также для отопления. Благодаря низкой критической температуре CO2 в 31,1 градус Цельсия система способна эффективно работать при разных режимах и обеспечивать стабильные показатели даже при низких уличных температурах. При повышении давления и переходе в сверхкритическую область теплообмен происходит с учетом характерного температурного скользящего эффекта, что расширяет диапазон эффективного теплопередачи. Одной из традиционных проблем транскритических систем является значительная разница давлений, возникающая на расширительном клапане.
Клапан, выполняющий функцию дросселирования хладагента, ведет к потере энергии, которая до недавнего времени оставалась неизбежной. Инновационное решение — внедрение эжекторов, способных восстанавливать часть расширения и тем самым снижать общий энергетический расход компрессора. Эжектор представляет собой устройство, которое за счет эффекта втягивания и энергопередачи от первичного потока увеличивает давление вторичного потока, повышая давление на входе компрессора и снижая перепад, который должен преодолевать компрессор. Внедрение эжектора позволяет повысить энтальпию хладагента на входе в компрессор, что напрямую влияет на коэффициент производительности (COP) системы. За счет уменьшения давления всасывания компрессора снижается его рабочая нагрузка, что ведет к уменьшению потребления электроэнергии.
Кроме того, повышается температура выходящей воды, что расширяет возможности использования системы в задачах с высокой температурной нагрузкой. Экспериментальные исследования демонстрируют, что системы с эжектором способны повысить выходную температуру воды примерно на 7–8 градусов Цельсия по сравнению с обычными аналогами без эжектора. Однако использование эжекторов вносит дополнительные конструктивные и эксплуатационные сложности. В частности, повышаются затраты на производство и техническое обслуживание, что влияет на экономическую окупаемость системы. Анализ, проведенный с учетом расходов на изготовление, эксплуатацию, ремонт и получаемой тепловой энергии, показывает, что общая окупаемость таких систем сохраняется на аналогичном уровне с системами без эжекторов.
Это объясняется тем, что дополнительная производительность компенсирует увеличенные капитальные затраты. В техническом плане оптимизация работы эжектора требует тщательного баланса между двумя основными параметрами: коэффициентом втягивания и отношением повышения давления. Увеличение коэффициента втягивания позволяет захватывать больший объем вторичного потока, повышая тепловую мощность, но при этом может снижаться эффективность повышения давления. Наоборот, усиление давления поднимает качество сжатия и снижает нагрузку на компрессор. Исходя из экспериментальных данных, оптимальный режим работы достигается при средних значениях этих параметров, которые приходятся, как правило, на регуляцию давления около 8700 кПа.
Поэтому для практического использования систем на CO2 с эжектором необходимо разрабатывать адаптивные алгоритмы управления, позволяющие эффективно переключаться между режимами при изменении внешних условий эксплуатации, например, температуры воздуха и воды, а также нагрузки на систему. Предлагается использовать вероятностные или прогнозные модели, учитывающие прогноз погоды и паттерны потребления тепла, что позволит максимизировать энергетическую отдачу и экономические выгоды. Энергетический и эксергетический анализ указывает на повышение эффективности систем с эжектором, но одновременно демонстрирует возрастание необратимых потерь в самом эжекторе. Основными источниками таких потерь являются турбулентные вихри и внутренние гидродинамические сопротивления в каналах эжектора. Это указывает на потребность в дальнейшей доработке конструкции устройства — уменьшении зазоров, улучшении профилей насадок, использовании новых материалов с низким коэффициентом трения.
Экономический аспект также присутствует как неотъемлемая часть оценки перспектив тепловых насосов. Хотя первоначальные затраты на систему с эжектором выше, ускоренный возврат инвестиций достигается за счет снижения затрат на электроэнергию и более эффективной работы оборудования при высоких нагрузках. Учитывая современные тарифы на энергию и заинтересованность пользователей в снижении эксплуатационных расходов, применение эжекторных систем становится целесообразным в коммерческом сегменте, а также в регионах с высокой стоимостью электроэнергии. Многоисточник тепла, например, совместное использование воздушного и водяного источников с помощью двух испарителей, повышает гибкость и эффективность работы теплового насоса. Система с эжектором усиливает преимущества такой комплектации, обеспечивая более глубокое использование всех доступных резервуаров тепловой энергии и поддерживая стабильность работы при изменениях погодных условий.
В таком контексте эжектор не просто технический элемент, а важный интегратор в комплексную схему управления и теплообмена. Текущие исследования направлены на разработку новых схем и конфигураций, в которых эжектор становится управляющим узлом с возможностями регулировки геометрии, изменяемого режима работы и встроенных датчиков для мониторинга производительности. Кроме того, перспективно применение цифровых двойников и методов машинного обучения для прогнозирования оптимальных режимов, что позволит добиться максимального КПД и минимальных затрат в длительной перспективе. В целом, транскритические тепловые насосы на углекислом газе с и без эжекторов представляют собой два взаимодополняющих направления развития, каждое из которых имеет место быть в зависимости от поставленных задач, условий эксплуатации и финансовых возможностей. Использование эжектора вносит качественные изменения в технологический процесс, позволяя повысить энергетическую отдачу, уменьшить эксплуатационные расходы и расширить температурный диапазон применения оборудования.
При этом для успешного внедрения таких систем необходим всесторонний подход с учетом технических, экономических и экологических факторов, а также повышения надежности и удобства сервиса. Активное взаимодействие инженеров, исследователей и производителей позволит создавать оптимизированные решения, максимально отвечающие современным требованиям энергосбережения и устойчивого развития. Будущее транскритических систем на CO2 во многом зависит от совершенствования технологий эжекторов, интеграции с многоисточниковыми теплоподачами и интеллектуальными системами управления. Такой комплексный подход способен обеспечить значительный вклад в декарбонизацию отопления и горячего водоснабжения, повысить эффективность использования возобновляемых источников энергии и снизить углеродный след современных зданий и производств.
