Что такое тепловой насос

Стремительный рост цен на газ оказался неожиданным сюрпризом для украинских потребителей, как в промышленном, так и в коммунальном секторе. Люди с удивлением начали осознавать, что разговоры ученых о конечности запасов органического топлива имеют под собой вполне реальную основу, и перспективы неограниченного роста цен на тот же газ это не абстрактная теория, а вопрос ближайшего будущего. Однако, как говорится, нет худа без добра. Ощутимый удар по кошельку наконец-то положил конец скептическому отношению потребителей к альтернативным источникам энергии, и до их сознания начало доходить, что то, к чему они привыкли (централизованное отопление, газовый котел и т.п.) – это технологии прошлого века, которые не имеют будущего. В этих условиях на рынке Украины создались предпосылки для коммерческого продвижения технологий, которые в развитых странах мира десятилетиями продвигались за счет государственной поддержки, и в настоящее время уже занимают господствующее положение на рынке теплоснабжения. Речь в первую очередь идет об использовании низкопотенциальных возобновляемых источников тепловой энергии (геотермальная и солнечная энергия) с помощью тепловых насосов (ТН). Этот вид отопления в настоящее время по темпам развития занимает доминирующее положение в мире. В скандинавских странах уже сегодня ТН обеспечивают от 30 до 50 % потребностей систем отопления в энергии. В США, Канаде, ЕЭС, Японии введены строительные нормы, предусматривающие обязательное использование ТН в жилых, общественных и производственных зданиях. По данным Мирового энергетического совета к 2020г. за счет ТН будет обеспечиваться не менее 75% мировых потребностей в энергии для целей отопления. Украина до сих пор стояла в стороне от этих тенденций, однако уже в ближайшее время по понятным причинам прогнозируется взрывообразное развитие этого рынка.

Что же такое тепловой насос? Мы все хорошо знакомы с этой технологией на примерах кондиционера или же бытового холодильника. Это агрегат, который состоит из компрессора и двух теплообменников (испарителя и конденсатора), объединенных в общий контур. (Плюс еще кое-какие детали). Контур заполнен специальной жидкостью (фреоном), которая способна кипеть в испарителе при достаточно низкой температуре (порядка -20°С).

Для поддержания кипения в испарителе к нему необходимо подводить тепло. В качестве источника теплоты может быть использован атмосферный воздух, вода или другой подобный теплоноситель при температуре выше температуры кипения фреона. Пары фреона поступают в компрессор, где их давление поднимается до 16...30 атм (давление зависит от марки фреона). При этом, согласно известному нам из школьной физики закону Бойля-Мариотта (PV = RT), температура паров фреона повышается до уровня примерно 70°С. Затем, поступая в теплообменник-конденсатор, фреон отдает тепло внешнему теплоносителю, и конденсируется при постоянной температуре. Наконец, в специальном устройстве (дросселе) давление жидкого фреона снижается до первоначального, он поступает в испаритель, и цикл замыкается. Таким образом в ТН происходит «перекачка» теплоты с низкого на более высокий температурный уровень (в нашем примере с -20°С до +70°С), почему он и получил свое название «тепловой насос». Использование такого цикла может быть разнообразным – например, разместив испаритель в теплоизолированном объеме, мы можем «откачивать» из него теплоту и соответственно понижать температуру – это схема обычного бытового холодильника. Если же испаритель разместить в помещении, а конденсатор снаружи, мы получаем возможность охлаждать воздух в помещении (кондиционер). Если наоборот, конденсатор разместить в помещении, а испаритель снаружи, получим схему отопления. Но самое интересное то, что в ТН на привод компрессора, насосов, вентиляторов потребляется энергии значительно меньше, чем передается из испарителя в конденсатор. Отношение количества переданной тепловой энергии к затраченной электрической характеризует эффективность ТН. Для реальных условий, в зависимости от разности температур между источником теплоты и потребителем, это отношение (отопительный коэффициент К) колеблется в пределах от 3 до 8. Вот это и является основой для использования ТН в системах отопления – затратив на привод ТН 1 кВтч электроэнергии мы за счет дармовой низкопотенциальной тепловой энергии возобновляемых источников получаем от 3 до 8 кВтч тепловой энергии нужного температурного потенциала. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться атмосферный воздух, вода из открытых водоемов или скважин, а также теплота грунта (геотермальная энергия). В последнем случае для отбора энергии используют коллекторы из пластиковых труб, которые закапывают в грунт ниже уровня промерзания (порядка 1.5 м). Через коллектор прокачивают жидкий теплоноситель (смесь этиленгликоль-вода или водно-спиртовые растворы), который отбирает теплоту от грунта и поступает в теплообменник-испаритель ТН. В зависимости от вида используемых теплоносителей в источнике теплоты и в отопительных приборах ТН классифицируются как ТН типа «вода-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух», «воздух-вода». Наиболее привычный и известный нам кондиционер – это ТН типа «воздух-воздух». Схемы, использующие жидкий теплоноситель, естественно, более эффективны, чем схемы с использованием воздушных теплообменников. Во-первых потому, что в этом случае среднесезонная температура источника теплоты более высока и стабильна, чем температура воздуха (температура воды в природных источниках изменяется в пределах 4...10°С), а во-вторых, обеспечивается значительно более высокая эффективность теплообменников. Для условий Украины наиболее приемлемой и эффективной представляется схема с использованием в качестве источника теплоты воды открытых водоемов или артезианских скважин, поскольку она обеспечивает наивысшую эффективность ТН при минимальных капитальных затратах. Для таких схем коэффициент эффективности ТН может превышать значение 5.

Отопительные приборы, использующиеся в системах отопления с ТН, ничем не отличаются от обычных. Это те же радиаторы, теплые полы и воздушные системы отопления с использованием фенкойлов, а также бойлеры для горячего водоснабжения. Следует только отметить, что более эффективным является использование современных низкотемпературных систем отопления (теплые полы, фенкойлы), поскольку эффективность ТН существенно повышается с уменьшением разности температур между источником и потребителем теплоты.

В чем же реальные преимущества применения ТН? Их много. Прежде всего это независимость от поставок органического топлива. Если говорить о газе, то отпадает необходимость в создании специальной инфраструктуры газификации (трубопроводы, распределительные станции и т.п.), требующей значительных капиталовложений. Применение ТН не требует создания специальной инфраструктуры или проведения каких-либо дополнительных мероприятий по модернизации систем электроснабжения, поскольку потребляемая ими мощность вполне укладывается в существующие нормы энергопотребления (для отопления дома площадью 250 кв.м. достаточно 3...5 кВт электрической мощности). Следующее преимущество, которое стало проявляться только с переходом к реальному соотношению цен на топливо и электроэнергию – это экономичность. Для примера рассмотрим стоимость отопления дома средних размеров при существующих тарифах на газ и электроэнергию. Согласно действующих с начала 2007г. тарифов для дома площадью порядка 200...250 кв.м. (годовое потребление газа от 6 до 12 тыс. куб.м) цена 1000 куб.м. природного газа равна 1078 грн. Учитывая, что теплотворная способность газа равна 32,7 МДж/куб.м, с учетом реального КПД современных газовых котлов можем определить, что из каждого кубометра газа потребитель получает около 6 кВтч тепловой энергии. Т.е. стоимость газа, затраченного на выработку 1 кВтч тепловой энергии, равна примерно 18 коп. Это очень близко к цене 1 кВтч электрической энергии (напомним, что для потребителей, использующих электроплиты или системы электроотопления установлен тариф в размере 18.72 коп/кВтч). Стоимость же тепловой энергии, вырабатываемой ТН, равна тарифу на электроэнергию, деленному на отопительный коэффициент. Таким образом, для различных схем отопления имеем следующие цены за 1 кВтч тепловой энергии (с учетом применения двухзонного тарифа на электроэнергию):

Еще одним существенным преимуществом является то, что при использовании ТН потребитель в одном комплекте оборудования получает одновременно и систему отопления, и систему кондиционирования, т.к. для всех ТН предусмотрена возможность работы в реверсивном режиме. При этом, в отличие от обычных кондиционеров, на все здание (или на каждую зону в многоквартирном здании) достаточно одного блока ТН, т.к. применение воды в контуре отопительной системы снимает ограничения на расстояние и перепад высот между основным и внутренними блоками, а также на количество последних.

Цены на оборудование, несомненно, оказывают заметное влияние на стоимость отопления. В этом плане производители в различных странах придерживаются различной ценовой политики. В большинстве европейских стран производители устанавливают уровень цен на оборудование таким образом, чтобы себестоимость отопления была примерно равна себестоимости отопления с помощью традиционных источников. Конкурентоспособность ТН в этих странах обеспечивается предоставлением различных льгот при использовании возобновляемых источников энергии. В Германии, к примеру, правительство выплачивает дотацию на каждый установленный кВт мощности ТН в размере 400€. В США в соответствии с Energy Policy Act (EPACT) 2005 года 30% стоимости оборудования при установке тепловых насосов компенсируется правительством путем снижения налогов на эту сумму, и т.д. На рынок Украины эти компании заходят со своим традиционным уровнем цен. Причем, далеко не все из них уже окончательно сформировали ценовую политику, и поэтому предпочитают пока не публиковать свои цены на оборудование. В связи с этим диапазон цен на оборудование ведущих производителей пока еще довольно широк – стоимость кВт тепловой мощности колеблется от $300 до $1000, в зависимости от бренда и мощности теплового насоса. Необходимо отметить, что по техническим характеристикам все известные бренды мало отличаются друг от друга, поскольку используют комплектующие одних и тех же производителей. Основной узел ТН, определяющий его эффективность и надежность, – компрессор – как правило, производят японские фирмы, такие как Mitsubishi, Daikin, Sanyo, Hitachi и др. Ресурс этого оборудования составляет не менее 100 тыс. часов, что для условий его использования соответствует 15...25 лет. Заметное влияние на стоимость оборудования оказывает комплектация, наличие дополнительных опций, тип используемого фреона (применение экологически безопасного фреона R410a повышает стоимость на 10...15%). В целом стоимость оборудования для теплонасосных систем отопления примерно соответствует стоимости современных газовых котлов (без учета стоимости подключения к газовой магистрали). Более того, даже замена существующего газового отопления теплонасосным уже вполне оправдана экономически. За счет существенной разницы в стоимости энергоносителей на производство 1 кВтч тепловой энергии срок окупаемости ТН для рассмотренного выше примера составляет порядка 2 лет. Необходимо отметить, что в будущем преимущества ТН будут только возрастать, поскольку цены на газ будут расти опережающими темпами по сравнению с ценами на электроэнергию. Это объясняется тем, что природный газ это наиболее дорогой энергоноситель, ресурсы которого ограничены и близки к истощению. В производстве же электроэнергии используются в основном более доступные и дешевые энергоресурсы (уголь, гидроэнергия, атомная энергия, энергия ветра).

Наши объекты