Система теплопостачання, теплові насоси

Теплові насоси – ключова технологія енергомодернізації будинків

У доповіді American Council for Energy-Efficient Economy та New Buildings Institute за 2021 рік зазначається, що модернізація в існуючих багатоквартирних будинках систем водяного опалення, що працюють на природному газі, із застосуванням теплових насосів призведе до економії енергії на 85% та скорочення викидів парникових газів на 58%.

Що таке тепловий насос, і як він працює?

Тепловий насос – це пристрій, який може забезпечити опалення, охолодження та гарячу воду для житлових, комерційних чи промислових приміщень. Він називається так, тому що фактично перекачує теплову енергію з навколишнього середовища в будівлю (або з будівлі до навколишнього середовища при охолодженні) за рахунок холодоагенту (робочої речовини теплового насоса), який в процесі ізотермічного розширення поглинає теплоту, а потім після стиснення передає її за рахунок конденсації.

Існує чотири цикли роботи теплового насоса:

Випаровування

Зовнішній теплообмінник – випарник – використовує теплову енергію землі, води чи повітря для нагрівання холодоагенту, який має дуже низьку температуру кипіння, та переведення його в газоподібний стан.

Стиснення

Холодоагент, що знаходиться в газоподібному стані, надходить у компресор, який стискає його, що призводить до підвищення температури, – високий тиск нагріває газ.

Конденсація

Гаряча і під високим тиском пара проходить через внутрішній теплообмінник – конденсатор, де холодоагент переходить з газоподібного стану в рідкий, віддаючи тепло в систему опалення.

Розширення

Сконденсований холодоагент проходить через розширювальний клапан зниження тиску, після чого рідкий холодоагент низького тиску знову надходить у випарник.

Таким чином, тепловий насос можна вважати «мультиплікатором тепла», який збирає та концентрує теплову енергію, перетворюючи низькопотенційне тепло навколишнього середовища на високопотенційне тепло системи опалення будинку.

Джерела тепла і типи теплових насосів

Тепловий насос завжди має зовнішнє джерело тепла. Ним може бути атмосферне та витяжне повітря, ґрунт і ґрунтові води, водойми та стічні води.

Повітряний тепловий насос

Повітряні теплові насоси використовують енергію зовнішнього або витяжного повітря для опалення, охолодження та приготування гарячої води. Тепло розподіляється всередині будинку за допомогою гідравлічної системи або через повітря фанкойлами.

Геотермальний тепловий насос

Геотермальні теплові насоси для опалення, охолодження та приготування гарячої води отримують тепло з грунту через вертикальний або горизонтальний трубчастий колектор. Тепло зазвичай розподіляється за допомогою гідравлічної системи (тепла підлога, радіатори).

Водяний тепловий насос

Водяні теплові насоси отримують теплову енергію із ґрунтових, поверхневих або морських вод. Для отримання тепла по дну водойми прокладається трубчастий колектор. Доступ до ґрунтових вод здійснюється за допомогою двох свердловин (одна використовується як джерело води, через другу – вода скидається назад у водоносний горизонт). Тепло, як правило, розподіляється усередині будинку за допомогою гідравлічної системи.

Якщо вам необхідний тепловий насос для опалення взимку та охолодження влітку, потрібно вибирати модель з функцією «реверс», що дозволяє відбирати тепло з приміщень і скидати його в навколишнє середовище. Геотермальний тепловий насос може забезпечити охолодження без участі компресора – лише за рахунок циркуляції води в системі охолодження будинку та грунтовому теплообміннику. При цьому відбувається відновлення та підвищення температури ґрунту навколо свердловини.

Енергоефективність теплових насосів

Печі та котли забезпечують опалення приміщень за рахунок спалювання палива. Хоча їх ККД постійно підвищується, наприклад, в конденсаційних котлах, він залишається нижчим за 100%. Це означає, що не вся енергія згоряння використовується для нагрівання.

Теплові насоси використовують електроенергію для отримання теплової енергії, при цьому їх ККД значно вищий за 100%, тобто теплової енергії виробляється більше, ніж кількість електроенергії, що споживається тепловим насосом. Тоді як електричні нагрівачі перетворюють одну одиницю електроенергії на одну одиницю тепла.

Енергоефективність теплових насосів може бути дуже високою. Коефіцієнт перетворення енергії досягає 4-5 і навіть вище. Тобто, на кожен використаний кіловат електроенергії тепловий насос видає 3-5 кіловат теплової енергії.

Порівняльний аналіз можливостей та обмежень різних джерел тепла (повітря, грунт, озера, річки, підземні води), що експлуатуються системами теплових насосів, встановленими у різних типах багатоквартирних будинків Женеви, проведений у 2018 році, показав, що підземні води мають найвищі значення сезонного коефіцієнта ефективності (4,3-4,8), за якими йдуть річка (3,9-4,5) та озеро (3,8-4,3). Продуктивність геотермальної свердловини дещо нижча (3,6-4,0), а повітряних теплових насосів найменша (3,0-3,4).

Повітряні теплові насоси, що отримують тепло із системи витяжної вентиляції, можуть досягати більшої сезонної ефективності, ніж атмосферні.

В скандинавських країнах для обігріву багатоквартирних будинків здебільшого встановлюють геотермальні теплові насоси, оскільки вони як джерело тепла використовують ґрунт з відносно постійною температурою протягом усього року. Тому вони ефективніші за повітряні в суворіших кліматичних умовах. І хоча встановлення геотермальних теплових насосів коштує дорожче, вони мають нижчі експлуатаційні витрати, тобто вартість опалення буде меншою.

У середземноморських країнах популярні повітряні теплові насоси – вони більш доступні за вартістю і досить швидко окуповуються. Повітряний тепловий насос найкраще працює у м’якому кліматі, коли різниця між сезонними температурами не надто важлива.

Зниження температури зовнішнього повітря призводить до зниження продуктивності теплового насоса при збільшенні навантаження. При більш високих температурах тепловий насос повністю задовольняє потреби, у той час як при нижчих температурах необхідно резервне джерело тепла: газовий котел, електричний нагрівач або централізоване теплопостачання.

Також повітряні теплові насоси доцільно застосовувати в будинках з високоефективною теплоізоляцією та низькотемпературною системою обігріву.

Тепловий насос можна використовувати в гібридних системах опалення, наприклад, у поєднанні з газовим котлом. Коли температура знижується, а повітря стає занадто холодним, тепловий насос може розрахувати, що система є недостатньо енергоефективною, і перейти на опалення газом.

Більшість теплових насосів на ринку насправді призначені для односімейних будинків, проте найбільш ефективне застосування теплового насоса – це багатоквартирні будинки.

Ось короткий список переваг:

1. Значна економія на масштабі. Питома вартість потужності знижується разом із потужністю теплового насоса.
2. Теплові насоси більшої потужності зазвичай працюють з вищим ККД на кілька відсотків.
3. Загальна потужність нижча, ніж сума необхідної потужності при одноквартирних теплових насосах.
4. Приготування гарячої води коштує дешевше, оскільки одночасне навантаження на всі квартири малоймовірне.
5. Установку можна використовувати для літнього охолодження.

Будь-який тип теплового насоса можна підключити до будь-якої системи опалення. Теплові насоси успішно застосовуються в системах централізованого теплопостачання та в комбінованих системах централізованого теплопостачання і охолодження будинків.

Модернізація існуючих будинків із застосуванням теплових насосів

У старих будинках найпоширенішими опалювальними приладами є водяні радіатори. Розміри радіаторів зазвичай розраховані на температуру подачі теплоносія 80°C та температуру повернення 60°C. В основному це пов’язано з поганою теплоізоляцією будинків. Номінальне тепловиділення відбувається за різниці температур 50°С (різниця між середньою температурою радіатора 70° і температурою приміщення 20°С). Незважаючи на свою назву, металеві радіатори нагрівають приміщення переважно за рахунок конвекції, а не випромінювання тепла.

Висока первісна розрахункова температура радіаторної системи у старих будинках погано сумісна з роботою більшості теплових насосів – їхня верхня теплова межа становить 60°C. При температурі води 55°C радіатор дає викид тепла близько 60% від необхідного значення.

Ефективність може бути підвищена за допомогою відносно недорогих заходів, які можуть бути реалізовані у короткостроковій перспективі, зокрема, заміни радіаторів. Сучасні радіатори можуть передати таку ж кількість тепла в приміщення при значно нижчій температурі подачі.

У деяких будинках високотемпературні теплові насоси, які самі по собі (без додаткового прямого електричного нагрівача) забезпечують температуру подачі 75°C, можуть бути достатньо ефективним рішенням, наприклад, теплові насоси, що використовують пропан – природний холодоагент.

Проте слід врахувати, що низькотемпературна система опалення більш економна, ніж високотемпературна. Тому завжди доцільно покращити теплоізоляцію огороджувальних конструкцій, що дозволить знизити температуру води на подачі в радіатори, використовувати тепловий насос меншої потужності та знизити експлуатаційні витрати.

Потужність теплового насоса має першорядне значення, оскільки вартість теплового насоса значно більше залежить від його потужності, ніж вартість газового котла. Визначення точки балансу теплової потужності є найважливішим моментом під час вибору відповідного теплового насоса. Найважливішими елементами, які слід враховувати, є:

– сумарна крива потреби будинку в опаленні;
– характеристики розподільних пристроїв опалення;
– прогнозована потреба у гарячій воді;
– відносна вартість електроенергії та природного газу;
– наявність та властивості джерела тепла для теплового насоса.

Потужність теплового насоса не повинна підбиратися так само, як для котла, інакше вартість буде високою, а тепловий насос майже завжди працюватиме з частковим навантаженням, навіть якщо він оснащений інвертором для регулювання потужності. Замість цього оптимальним рішенням може бути використання допоміжного джерела тепла, такого як невеликий газовий котел, для компенсації пікових навантажень при низьких температурах.

У регіонах з холодним кліматом використання теплових насосів із резервним опаленням природним газом може бути проміжним варіантом, щось на кшталт «поступового витіснення». Такий підхід може допомогти скоротити розрив у економічній ефективності та стати перехідним кроком до повної електрифікації опалення багатоквартирних будинків.

Теплоізоляція будинків і теплові насоси

Можливість масштабної установки теплових насосів була вивчена під час модернізації багатоквартирних будинків у Фінляндії. Зокрема, було встановлено, що перехід від централізованого теплопостачання до теплових насосів є ефективним рішенням, але з іншого боку це може призвести до значного збільшення потреби в електроенергії.

Коли багатоквартирні будинки з тепловими насосами порівняли з багатоквартирними будинками з централізованим опаленням, теплові насоси збільшували пікову потребу в електроенергії на:

– повітряні теплові насоси з мінімальним рівнем теплоізоляції +144%,
– повітряні теплові насоси з високим рівнем теплоізоляції +83%,
– геотермальні теплові насоси з мінімальним рівнем теплоізоляції +68%,
– геотермальні теплові насоси із високим рівнем теплоізоляції +32%.

Таким чином, у багатоквартирних будинках високоефективна теплізоляція компенсувала близько половини потреби у додатковій електроенергії. Крім того, застосування геотермальних теплових насосів дозволяє значно зменшити додаткові навантаження порівняно з повітряними тепловими насосами. В основному це пов’язано з тим, що продуктивність повітряних теплових насосів знижується в міру зниження температури зовнішнього повітря, і пікова потужність зазвичай покривається резервним електронагрівачем, в результаті чого енергоспоживання значно зростає при низьких температурах. Робота резервного нагрівача була значно нижчою для систем з геотермальними тепловими насосами – в середньому лише 1,2%.

Чи потрібно спочатку утеплити будинок, щоб встановити тепловий насос?

Зрозуміло, що чим менші теплові втрати, і чим менше енергії треба для створення комфортного клімату в приміщенні, тим менший, а відповідно, дешевший тепловий насос можна використати, і тим ефективніше він працюватиме. І гаманці мешканців, і екологія від цього лише виграють. Ось чому заходи, спрямовані на зниження потреби в тепловій енергії, завжди мають сенс.

Проте з різних причин (історична частина міста чи брак фінансування) теплоізоляція будинку іноді неможлива чи неможлива за короткий період. Хоча й бажано спочатку утеплити будинок, але це не обов’язкова умова. Це можна зробити і після встановлення теплового насоса. У деяких випадках хороше рішення може бути реалізовано без додаткової теплоізоляції. Наприклад, у цегляних будинках простої заміни вікон вже достатньо для ефективного використання теплового насоса.

Теплові насоси можна (і потрібно) вигідно використовувати в будь-яких існуючих будинках, як з екологічної, так і економічної точки зору.

У доповіді Університету прикладних наук Східної Швейцарії йдеться: «Теплові насоси можуть ефективно застосовуватися в існуючих будинках, якщо вони правильно спроектовані, встановлені та введені в експлуатацію».

Тепловий насос і сонячна енергія – виграшна комбінація

Як вже було зазначено, теплові насоси використовують енергію довкілля: землі, води та повітря. Енергія з цих джерел – відновлювана, але для роботи компресора необхідна електроенергія, походження якої може мати вуглецевий слід. Забезпечення теплового насоса електроенергією за допомогою, наприклад, сонячних панелей робить його повністю відновлюваним джерелом енергії.

Заміна в будинках систем опалення на викопному паливі на комбіновану систему з теплових насосів та сонячних панелей може призвести до значного скорочення викидів CO2, що сприятиме досягненню кліматичних цілей, якщо це буде зроблено у великих масштабах.

Результати досліджень, проведених у Німеччині, показують, що використання теплових насосів призводить до значного зниження викидів CO2: 44% – для повітряних теплових насосів та 58% – для геотермальних. Зі збільшенням частки виробництва електроенергії з відновлюваних джерел цей ефект збільшиться до 76% – для повітряних та майже до 90% – для геотермальних.

Водночас можливість використання сонячної енергії для багатоквартирного будинку досить обмежена. Якщо у випадку малоповерхових будинків можливе встановлення сонячної електростанції з достатньою потужністю, щоб забезпечити роботу теплового насоса, для багатоповерхових будинків такий потенціал у середньому вдвічі менший через велику житлову площу порівняно з площею їхнього даху. Також в умовах щільної міської забудови залишається не так багато місця на прибудинковій території.

Згідно з даними дослідження, проведеного у Швейцарії у 2018 році, з врахуванням доступної площі даху для багатоквартирних будинків з потребою в тепловій енергії для опалення та приготування гарячої води до 80 кВт·год/кв м, що відповідає поточним найкращим варіантам будинків (10% існуючого фонду багатоквартирних будинків у Женеві), комбіновані системи теплових насосів та сонячних електростанцій можуть призвести до річного споживання покупної електроенергії менше 15 кВт·год/кв м. Для будинків з потребою в теплі до 130 кВт·год/кв м (що становить 75% існуючого фонду багатоквартирних будинків у Женеві), різні комбінації теплових насосів та сонячних електростанцій здебільшого призводять до того, що кінцева покупна електроенергія становить менше 45 кВт·год/кв м.

Застосування сонячних колекторів як додаткового джерела тепла (з прямим та безкоштовним виробництвом тепла) підвищує сезонний коефіцієнт ефективності інтегрованої системи з тепловими насосами. Така система може використовувати тепло, що виробляється сонячними колекторами в зимовий період, а влітку за рахунок циркуляції теплоносія між сонячними колекторами та теплообмінником у свердловинах накопичувати тепло у ґрунті. Підвищення температури ґрунту лише на один градус збільшує ефективність теплового насоса на 3%.

Практика застосування теплових насосів у багатоквартирних будинках

Перехід від централізованого теплопостачання до теплових насосів стає все більш поширеним явищем у багатоквартирних будинках Фінляндії та інших скандинавських країнах. В основному це пов’язано з нижчими витратами на опалення та зниженням втрат при розподілі тепла, а також зниженням викидів парникових газів.

Система витяжних теплових насосів

Перший приклад стосується 6-поверхового житлового будинку у місті Jyväskylä. Витяжні теплові насоси були встановлені у січні 2013 року та підключені як до контуру радіаторного опалення, так і до контуру гарячого водопостачання. Інтерес до рекуперації відпрацьованого повітря останнім часом виріс у Фінляндії через зростання цін на централізоване теплопостачання. Потенційна економія з високою окупністю інвестицій була позитивно сприйнята ринком.

Споживання енергії централізованого теплопостачання було 750 МВт на рік. Після встановлення теплових насосів загальне споживання енергії знизилося на 37% з 750 до 473 МВт, а щорічні викиди CO2 – на 60 тонн. Сезонний коефіцієнт ефективності становить 3,8. Базова плата за централізоване опалення знизилась на 50%, а при додаванні вартості енергії, необхідної для зебезпечення роботи теплових насосів, чиста економія становить близько 40%.

Система з геотермальних і витяжних теплових насосів

У другому прикладі з Фінляндії в місті Raisio через щорічне зростання тарифів радою директорів житлової компанії Sorolaisenmäki було ухвалено рішення відмовитися від централізованого теплопостачання з метою знизити вартість оренди, щоб малозабезпечені жителі, як і раніше, могли дозволити собі жити у своїх будинках.

Для забезпечення опаленням та гарячою водою 90 квартир було встановлено геотермальні теплові насоси та впроваджено рекуперацію тепла витяжного повітря. Таких прецендентів у Raisio раніше не було, і багато хто сумнівався, що це взагалі працюватиме. Геотермальні теплові насоси були підключені до 9 свердловин глибиною 230 м кожна. Щоб не підвищувати орендну плату для мешканців, розрахунковий термін окупності геотермальної системи становитиме близько 9 років.

Система геотермальних теплових насосів

Третій приклад, проект в місті Espoo, також описує перехід від централізованого теплопостачання до геотермальної енергії. Два 7-поверхових будинки, в яких налічується майже 100 квартир, тепер оснащені геотермальними тепловими насосами з 12 свердловинами. Спочатку проект був сприйнятий зі скептицизмом, і знадобилося кілька років, перш ніж було прийнято необхідні рішення.

Оскільки власники не були готові брати кредит, проект було реалізовано спільно з енергосервісною компанією (ЕСКО), яка володіє геотермальною системою, відповідає за її обслуговування та продає тепло мешканцям зі знижкою. Договір дійсний протягом восьми років, після чого система передається у власність житловій асоціації, що управляє будинками. Термін експлуатації обладнання становить 30 років, компресорів – близько 15 років, а свердловин та труб – понад 50 років.

Геотермальні теплові насоси на витяжному повітрі

Наступний приклад зі Швеції. Керівництво житлової компанії Stockholmshem вирішило скоротити витрати на централізоване опалення та інвестувати кошти в геотермальні теплові насоси без використання грунту як джерела тепла. Замість того, щоб розміщувати труби під землею, вони використали теплообмінник для отримання тепла з витяжного повітря. Температура рідкого теплоносія при цьому виходить вища, ніж у атмосферному тепловому насосі, що дозволяє досягнути підвищеного коефіцієнта енергоефективності.

Як каже представник компанії Гуннар Вібер: «Продуктивність теплових насосів, які ми експлуатували протягом деякого часу, перевищила навіть найоптимістичніші розрахунки. У витяжному повітрі було набагато більше енергії, ніж ми думали. Ми розраховували на отримання до 120 кВт енергії, проте фактичний показник становив майже 160 кВт! Наші платіжки за використання систем централізованого опалення зменшилися майже на 40%, а енергоспоживання – на приблизно 70 кВт·год/кв м. Нова система окупиться за 3-4 роки».

У скандинавських країнах при встановленні теплових насосів у багатоквартирних будинках, як джерело тепла в основному використовується грунт або витяжне повітря, або їх комбінація. При цьому комбінація підвищує загальну ефективність системи та знижує вартість установки.

Високотемпературні геотермальні теплові насоси

Цікавий проект був реалізований у місті Лейден, Нідерланди. Асоціація власників вирішила розірвати контракт на постачання тепла з газовою ТЕЦ та знайти альтернативу для двох багатоквартирних будинків з 500 житловими одиницями і потребою у теплі 14 000 ГДж. Асоціація була зацікавлена ​​у безперервному теплопостачанні без збільшення вартості.

Рішенням стало втановлення у 2017 році високотемпературних геотермальних теплових насосів потужністю 1,5 МВт для опалення приміщень та гарячого водопостачання. Особливість цього проекту полягає в тому, що система опалення була замінена без додаткової дорогої теплоізоляції будинків та без реконструкції внутрішньої системи розподілу тепла. Завдяки технології багатоступінчастого теплового насоса та буферного резервуару об’ємом 200 куб м забезпечується необхідна гнучкість у виробництві теплової енергії.

Система з атмосферних та витяжних повітряних насосів

А в багатоквартирному будинку, який знаходиться на Оболоні у Києві, та яким управляє ОСББ «Арован», опалення і гаряче водопостачання забезпечує система повітряних теплових насосів.

Будинок побудований зі звичайної силікатної цегли і налічує 88 квартир. З 2016 року в ньому були проведені енергоефективні заходи: замінено вікна і двері, утеплено фасад, встановлено індивідуальний тепловий пункт. У 2019 році збудовано систему повітряних теплових насосів загальною потужністю близько 300 кВт·год теплової енергії при споживанні 96 кВт·год електроенергії. Частина теплових насосів розміщена у вентиляційних шахтах, щоб відбирати тепло з повітря, яке покидає будинок, та направляти його на підігрів гарячої води. Вартість 1 Гкал становить 680 грн, тоді як Київтеплоенерго продає 1 Гкал за 1654 грн. Теплові насоси іншого типу встановлені на даху та виробляють тепло для опалення з атмосферного повітря. Вартість 1 Гкал становить 800 – 1300 грн в залежності від погодних умов.

В листопаді 2021 року, в порівнянні з середньою сумою платіжки по місту Києву в неутеплених будинках – 25 грн за кв м, в енергоефективних будинках – 15 грн за кв м, вартість опалення тепловими насосами становила 8 грн за кв м. У грудні температура повітря була досить низькою, тому вартість опалення зросла до 13,56 грн, що однак на 20-30% нижче середнього показника за грудень в енергоефективних будинках. Водночас будинок залишається під’єднаним до мережі центрального опалення, яке може використовуватись як резервна система під час сильних морозів або ремонтних робіт.

Завдяки участі в міській програмі спільного фінансування енергоефективних заходів в багатоквартирних будинках станом на кінець 2021 року інвестиції співвласників в теплові насоси повністю окупилися. Щоб максимально знизити вартість теплової енергії ОСББ «Арован» планує встановити сонячну електростанцію, яка буде живити теплові насоси. Наразі собівартість електроенергії  СЕС в середньому по Україні становить 0,70 – 0, 90 грн за 1 КВт проти діючого тарифу 1, 68 грн від комунальних постачальників.

Перспективи теплових насосів

Незалежно від того, наскільки екологічною є технологія, вона приживеться лише у тому випадку, якщо принесе економічні вигоди своїм користувачам. Тепловий насос з ефективністю 3,0 вже економічно вигідніший за газове опалення при сьогоднішній структурі тарифів в Україні.

І хоча встановлення теплового насоса вартує дорожче, ніж газового котла, для кінцевого користувача набагато важливішими є експлуатаційні витрати. Технологія достатньо швидко окуповуватиметься за низьких цін на електроенергію, тому зниження цін на електроенергію є дієвою стратегією підвищення економічної привабливості теплових насосів відносно систем опалення, що працюють на викопному паливі.

Рентабельність теплових насосів була б ще більшою, якби зниження цін на електроенергію поєднувалося з підвищенням цін на газ. Це підвищення може бути спричинене як ринковими силами, так і запровадженням податків на викиди вуглецю.

З огляду на технологічний рівень немає причин не встановлювати теплові насоси вже сьогодні. На ринку представлено безліч різних моделей, здатних задовольнити практично будь-які потреби: від квартирних теплових насосів до квартальних теплонасосних станцій.

Європейська асоціація теплових насосів (EHPA) повідомляє, що у 2020 році у 21 європейській країні було встановлено майже 15 мільйонів теплових насосів, щорічний приріст становить 1,6 мільйона, і тенденція зростає. Також очікується, що найближчим часом на ринок вийдуть дешевші й водночас ефективніші моделі теплових насосів.

Теплові насоси – це розвинута і рентабельна технологія, яка вже сьогодні може замінити системи опалення на основі викопного палива у великих масштабах, в тому числі стати основою для систем централізованого теплопостачання 5-го покоління. З цієї причини вони є ключовою технологією енергомодернізації та декарбонізації існуючих житлових будинків і збільшення частки відновлюваних джерел енергії у їх теплопостачанні, особливо в поєднанні з виробництвом електроенергії з відновлюваних джерел на місці.

Прокрутить наверх