Об условиях, которые предопределяют экономическую эффективность использования тепловых насосов в Украине.

В Министерстве энергетики и угольной промышленности все чаще стали говорить об огромном потенциале геотермальной энергетики, ошибочно подразумевая под его реализацией полномасштабное внедрение тепловых насосов. В сложившейся ситуации необходимо разграничить геотермальные энергостанции и системы, в основе которых лежит принцип использования разницы температур, – тепловые насосы.
Начнем с того, что тепловые насосы – это не геотермальная энергетика, под которой подразумевается производство электрической и тепловой энергии на геотермальных станциях (ГеоТЭЦ) за счет тепловой энергии, содержащейся в недрах Земли. Как правило, строительство ГеоТЭЦ ведется в регионах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры. В первую очередь – это районы активной вулканической деятельности с многочисленными гейзерами. Основным источником энергии для геотермальных станций является постоянный поток тепла из раскаленных недр.
Так какое же отношение к производству электрической и тепловой энергии за счет геотермальных ресурсов имеет тепловой насос и что же это вообще такое?
Согласно Директиве Европейского парламента и Совета 2010/31/EC от 19 мая 2010 г. об энергосбережении зданий, статья 2 пункт 18 «Тепловой насос» – машина, устройство или установка, предназначенная для передачи тепла от естественной среды, такой как воздух, вода или грунт, зданию или промышленному помещению путем превращения естественного потока более низкой температуры в тепловой поток с высокой температурой. Для реверсных насосов тепло здания может отводиться в окружающую среду».
С точки зрения физического процесса, тепловой насос – это устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. В теплонасосной установке низкопотенциальная природная энергия вторичных энергоресурсов преобразуется в энергию более высокого температурного потенциала, пригодную для практического использования.
Эта универсальная машина объединяет в себе отопительный котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер. Высокая востребованность этих устройств обусловлена экономичным потреблением энергии и высокой интенсивностью теплоотдачи. Работает такая система за счет электроэнергии, однако выдаваемая тепловая мощность может быть в разы больше, чем если бы была произведена только за счет электричества. Как правило, эффективность работы тепловых насосов зависит от использования различных технологических схем.
Эффективность и технологии использования
Существует несколько видов тепловых насосов, которые отличаются друг от друга в зависимости от источника тепловой энергии. Для работы тепловых насосов используются в основном вторичные энергетические ресурсы или возобновляемые источники энергии. В зависимости от вида теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы (ТН) подразделяются на классы «грунт-вода», «грунт-воздух», «вода-вода», «вода-воздух», «воздух-вода», «воздух-воздух». Так, аэротермальные тепловые насосы типа «воздух-воздух» и «воздух-вода» в качестве низкопотенциального источника используют воздух, водяные типа «вода-вода» соответственно используют энергию воды природных и искусственных водоемов, а геотермальные тепловые насосы типа «вода-вода» или «рассол-вода» базируются на использовании энергии грунта и грунтовых вод.
Тепловой насос «грунт – вода»
Грунт – это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и подогревается изнутри от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды, ведь на глубине нескольких метров температура практически постоянна в течение всего года.
Необходимая энергия собирается теплообменником, погруженным под землю, аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую жидкость на основе этиленгликоля или пропиленгликоля.
Существует два типа грунтовых насосов: грунтовой коллектор и грунтовой зонд. Выбор системы зависит от особенностей каждого участка, его площади, геологии и т.д.
Грунтовой коллектор представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную в виде змеевика под слоем грунта (1,2 – 2 м). Как правило, используемую территорию нельзя задействовать под выращивание каких либо овощей или ягодных культур, деревьев.
Грунтовые зонды (вертикальные коллекторы) – это системы длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-150 м). Здесь нужно совсем немного земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы (от $20/м).
Тепловой насос «вода-вода»
Источником низкопотенциального тепла в данном типе тепловых насосов могут быть незамерзающие водоемы (реки, озера) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Сами насосы во многом аналогичны тепловым насосам, которые работают на земляном контуре. Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой годовая эффективность применения устройств типа «вода-вода» оказывается наивысшей. Если источником тепла является водоем, то контур полиэтиленовых труб укладывается на его дно.
При использовании почвенных вод воду из одной скважины подают насосом прямо в испаритель, а сливают во вторую скважину. Для использования грунтовых вод еще необходимо получить разрешение соответствующих ведомств.
В «водном» контексте интересен опыт Швеции, где 50% энергии для отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы. Представьте, в Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми установками общей мощностью 320 МВт, для которых источник тепла – Балтийское море с температурой 8 ºС. Тепло морской воды посредством тепловых насосов нового поколения обеспечивает централизованное теплоснабжение многих приморских городов в Норвегии.
Тепловой насос «воздух-вода»
По универсальности применения в наших климатических условиях этот тип насосов пока проигрывает другим разновидностям. Хотя сами насосы дешевле, и прокладки труб или бурения скважин не требуется, из морозного воздуха много тепла не отберешь.
Так, при значительных низких температурах (-20 ºС и ниже) работает только электрический нагрев, при -10 ºС для обогрева установка периодически подключает электрические ТЭНы. Поэтому такие тепловые насосы рекомендуется использовать только в южных областях нашей страны.
Как отмечают в Национальной ассоциации Украины по тепловым насосам (UHPA), «при температурах воздуха ниже -15 ºС отапливаемые тепловые насосы работают с пониженным коэффициентом трансформации (меньше 2) и нуждаются в резервирования другими источниками тепла».
В последние годы, в связи с ухудшением вентиляции жилья из-за широкого применения новых герметичных окон со стеклопакетами, ТН «воздух-вода» получили дополнительное развитие. Помимо отопления и подготовкой горячей воды, некоторые модели ТН могут использовать тепло отточного воздуха помещений, обеспечивая таким образом рекуперацию тепла.
В Северной Европе, где температура может опуститься до -40 ºС, тепловые насосы не могут соперничать с тепловыми бойлерами, поэтому производители кондиционеров и котлов для этих регионов разрабатывают гибридные системы, которые могут работать при очень низких температурах.
По данным профильного журнала JARN (Japan Air Conditioning, Heating&Refrigeration News), максимальный объем европейского рынка тепловых насосов «воздух-вода» был отмечен в 2008 г., – 300 тыс. устройств. Наступивший вскоре экономический кризис стал причиной сокращения рынка, а в 2013-м количество устройств составило 221 тыс.
Второй класс тепловых насосов «воздух-воздух» исключает необходимость использования промежуточного теплоносителя (воды), а тепловая энергия напрямую передается воздуху, обеспечивающему отопление зданий.
Наибольшее распространение на европейском рынке получили именно тепловые насосы класса «воздух-воздух». Данные устройства особенно востребованы в государствах северной части Европы: Финляндии, Швеции, Норвегии. Если до 2005 г. в Скандинавских странах с суровым климатом предпочтение отдавалось грунтовым тепловым насосам, то с появлением низкотемпературных сплит-систем, имеющих нижний предел эксплуатации на обогрев до -20…-25 ºС, отмечается буквально взрывной скачок спроса на такие аэротермальные тепловые насосы.
В силу некоторых обстоятельств, в противовес европейским странам, насосы типа «воздух-воздух» в Украине не распространены. «Наша ментальность такова, что отопление у нас делается только водяное», – утверждает директор компании «В.Д.Е. – Украина» Эдуард Пастушенко, «впрочем, отопление воздухом хорошо тем, что позволяет мгновенно прогреть помещение. Это можно считать и недостатком, по крайней мере, в наших условиях, при частом отключении электроэнергии: если выключится воздушная система отопления, дом быстро остынет. В то же время, водяные системы более инерционны. Теплый пол в несколько тонн бетона, разогретый до температуры 35, ºС отдает тепло в помещение очень долго».
От чего зависят перспективы
Как свидетельствует отчет по европейскому рынку тепловых насосов, подготовленный Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA), в 2014 г. количество тепловых насосов, проданных в 21 стране, выросло на 3,5% (796 746 ед.). Десятку стран по объемам продаж возглавила Франция, за ней следуют Италия и Швеция. Ежегодно в этих страх продается более 100 тыс. установок. В Германии, Финляндии, Норвегии, Испании количество проданных единиц за год составляет 50 тыс.
Эксперты считают, что технологии тепловых насосов еще находятся в стадии непрерывного совершенства и можно ожидать двух-трехкратного повышения их эффективности в период до 2030 г.
Европейская ассоциация тепловых насосов) призвала Европейскую комиссию поставить данную технологию в центр политики Энергетического союза. По прогнозам Мирового энергетического совета (МИРЭС), к 2020 г. в развитых странах 75% систем отопления и горячего водоснабжения будет использовать тепловые насосы. За период с 2010-го по 2020 г. в Германии ожидается трехкратное увеличение продаж ТН и снижение продажи отопительных котлов с 84 до 57%. Во Франции за тот же период времени прогнозируется рост внедрения тепловых насосов в системах отопления в два раза и снижение продаж котлов с 82 до 67%.
Мировому признанию тепловых насосов способствует поддержка государств по субсидированию их покупки. Налоговые кредиты на установку тепловых насосов были доступны во Франции с 2005 г. В Бельгии на установку тепловых насосов дается субсидия в размере 75% от его стоимости. В Японии – субсидия от $450 для бытового использования, и $1 500-2 300 – для коммерческого. Скандинавам при строительстве многоэтажных зданий каждое строение в обязательном порядке оборудуется теплонасосными станциями для обеспечения дома автономной системой кондиционирования, отопления и обогрева воды.
Украинский вектор
В стремлении полностью отказаться от потребления природного газа, в прошлом году ТРЦ Ocean Plaza заявил о намерении инвестировать 20 млн грн в проект по установке грунтовых тепловых насосов. В организации выразили надежду, что проект окупится за 3,6 года и поможет сократить на 90% потребление природного газа в зимнее время и до 35-40% электроэнергии на кондиционирование – в летнее.
Вместе с тем, по словам Э. Пастушенко, тепловые насосы сегодня покупают в основном частные лица, использующие их для отопления своих коттеджей.
«Сегодня основные потребители тепловых насосов – заказчики, у которых имеются проблемы с газом. Если у человека есть возможность провести газ недорого, он вряд ли будет устанавливать тепловой насос», – сказал он.
Для того чтобы вывести Украину из кризисной ситуации в сфере теплоснабжения, в Национальной ассоциации Украины по тепловым насосам призывают использовать альтернативную энергию окружающей среды во вссем ее разнообразии. Это, в частности, мощные вторичные сбросные тепловые ресурсы техногенного происхождения (вентиляционные сбросы, канализационные, сбросные воды водооборотных промышленных циклов, шахтные воды, выходные дымовые газы, горячие шлаки и т. д.)
В обнародованном плане правительства на 2016 г. предусмотрено внесение изменений в Закон «Об альтернативных источниках энергии» по отнесению тепловых насосов к оборудованию, которое использует возобновляемые источники энергии». Согласно этому законопроекту энергия, вырабатываемая тепловыми насосами, относится к энергии из возобновляемых источников при условии, что тепловой насос произвел энергии больше, чем потребил.
Проект закона, в случае его принятия Верховной Радой Украины, должен привести в соответствие с Директивой 2009/28/ЕС определение понятия «альтернативные источники», в которые добавляются гидротермальная и аэротермальная энергии. Помимо необходимости существования в Украине понятного для практиков законодательства, остается главным вопрос о том, окажет ли наше правительство финансовую поддержку развитию теплонасосного направления, как это делают в станах Евросоюза, или все останется в виде громких деклараций с подменой технологических понятий, как это сегодня происходит с геотермальной энергетикой.