Сегодня мы хотим обратить внимание на статью, посвященную сравнительно новому классу энергетических устройств, которые ранее подробно не разбирались в нашем канале, а именно – тепловым насосам.
С точки зрения термодинамики, эти устройства переносят тепло из окружающего воздуха, земли, воды или другой среды в помещение, нагревая его за счет отбора у источника низкопотенциального тепла. Такая универсальность делает их привлекательной альтернативой традиционным системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), которые обычно потребляют больше топлива или электроэнергии в расчете на единицу отданной потребителю тепловой энергии. За рубежом теплонасосная техника широко применяется для теплоснабжения и кондиционирования жилых и офисных зданий уже более 50 лет, со времен энергетического кризиса 1970-х годов.
Преимуществом тепловых насосов считается их энергоэффективность: по данным Министерства энергетики США, при правильной установке они могут быть в 3-4 раза эффективнее традиционных электрических обогревателей, что позволяет организациям сократить потребление энергии и расходы на коммунальные услуги. Хотя первоначальная стоимость теплонасосной установки выше, чем у традиционных систем, в долгосрочной перспективе эти инвестиции окупаются за счет снижения затрат на электроэнергию и обслуживание.
В странах Европы внедрение тепловых насосов обусловлено не только экономией средств, но и стремлением к декарбонизации: например, в Великобритании правительством поставлена задача снижения потребления электроэнергии в жилых зданиях вплоть до их полной углеродной нейтральности. Процесс масштабирования данной технологии идет медленно, в связи с чем Министерство энергетической безопасности и углеродной нейтральности (DESNZ) в 2021-2023 годах профинансировало демонстрационный проект, задачей которого стала оценка целесообразности и выявление препятствий для электрификации теплоснабжения во всех жилых домах страны. В 2024 году аналитическая компания Catapult опубликовала отчет о результатах этого проекта, с которыми мы и хотим вас познакомить.
Общее описание проекта
Целями проекта стали оценка целесообразности широкомасштабного внедрения тепловых насосов в Великобритании, проверка их применимости для домов разных типов и возможностей удовлетворения запросов разных групп потребителей.
Отбор претендентов на участие в проекте был осуществлен тремя компаниями - операторами коммунальных услуг - при помощи рекламы и рассылки извещений по своей клиентской базе. Первоначально они получили почти 9 тысяч заявлений о заинтересованности в проекте. Вероятно, причиной такого массового отклика стада возможность бесплатно получить тепловой насос.
В 2021 году команда проекта установила 742 системы тепловых насосов в домах различных типов и возрастов, после чего до сентября 2023 года проводился мониторинг объектов.
Распределение объектов недвижимости, участвующей в проекте, по возрастам и по типам зданий показано на рис. 1. Видно, что основная доля зданий приходится на отдельно стоящие или смежные дома периода постройки 1945 – 1980 годов.
80% насосов были установлены в домах, подключенных к газораспределительной сети, основная система отопления которых до установки теплового насоса работала на сетевом газе. В 81% домов были поставлены новые накопители тепловой энергии в виде резервуаров для горячей воды. В 15% объектов были проведены работы по утеплению чердаков, стен или замене дверей.
Были установлены четыре различных типа тепловых насосов (таблица 1).
Результаты
Результаты проекта, по мнению авторов, показывают, что тепловые насосы могут работать с высокой эффективностью и являются потенциальным низкоуглеродным решением для отопления всех жилых объектов Великобритании, независимо от их типа и возраста. Следует отметить, что экономическую эффективность проекта на таком коротком временном отрезке измерить нельзя, а выводы отчета о его успешности основаны на оценках удовлетворенности участников.
Большая часть участников отметила, что их тепловой насос эффективно поддерживал тепло в доме, был надежным, простым в использовании и не создавал проблем с шумом. Оценки использования тепловых насосов у большинства участников в течение периода мониторинга менялись от сдержанных к более положительным. После первого отопительного сезона 85% участников либо уже использовали тепловой насос, либо готовы были рекомендовать его своим друзьям или родственникам.
Большинство тепловых насосов показали эффективность, в три раза превышающую эффективность современных газовых котлов или электронагреваталей (ТЭНов). Результаты работы теплового насоса статистически не зависят от типа дома и его возраста.
Коэффициент преобразования электроэнергии в тепло (COP) снижается по мере снижения внешней температуры (с 3,37 при 10°C до 2,3 при -5°C в течение 30 минут). Этот эффект был гораздо более значительным для всех моделей ASHP по сравнению с моделями GSHP, у которых COP при тех же условиях снизился до 3,1. COP всех типов тепловых насосов также снижался при повышении температуры теплоносителя, подаваемого в помещение. При достижении 35°C его среднее значение составляло 3,5, при повышении температуры до 55°C оно снизилось до 2,38, при выше 65°C – до 2,02. Эффект был одинаковым как для ASHP, так и для GSHP.
Барьеры
В процессе установки тепловых насосов в рамках проекта был выявлен ряд потенциальных препятствий для их внедрения на объектах недвижимости в Великобритании.
Процесс установки теплового насоса для заказчика является длительным и сложным по сравнению с процессом замены котла на природном газе. Выявлены ограничения по типу зданий: менее пригодными для установки тепловых насосов оказались дома со средней террасой (из-за ограниченности пространства), а также дома периодов постройки до 1919 года и после 2001 года. Требования к отоплению помещений старше 1919 года не могли быть удовлетворены с помощью тепловых насосов, доступных в рамках проекта, или же мероприятия по модернизации дома выходили за бюджет проекта. В домах, построенных после 2001 года, системы отопления включали трубопроводы с микропористыми стенками, замена которых увеличила бы стоимость проекта и время монтажа.
Некоторые участники отказались от участия в проекте из опасения потенциальных сбоев, которые могла вызвать установка теплового насоса в их доме. Ряд пользователей отметили дефицит места для установки насоса и риск излишнего шума. Наконец, британским законодательством установлена необходимость подачи заявок операторам распределительных сетей (DNO) на технологическое присоединение таких мощных объектов, как тепловые насосы.
Все эти проблемы, по мнению авторов отчета, являются преодолимыми.
Выводы для Великобритании и перспективы для России
По результатам проекта была продемонстрирована высокая производительность тепловых насосов, которые, в основном, работают с высокой эффективностью и обеспечивают желаемую тепловую мощность и комфорт для жителей в течение всего года. На основании этого сделан вывод о том, что установка высокотемпературных воздушных тепловых насосов может стать жизнеспособным решением для модернизации систем теплоснабжения жилых зданий. Одной из проблем, которую необходимо решить для ускорения внедрения бытовых тепловых насосов, является нехватка квалифицированных специалистов.
В российской практике тепловые насосы для отопления и для охлаждения зданий в настоящее время массово не используются. Ограниченно их применяют в частных домах и коттеджах, в малоэтажных жилых комплексах (в основном, на юге России), в гостиницах, складских комплексах и офисных центрах, а также для поддержания микроклимата теплиц, животноводческих ферм и зернохранилищ.
Низкую популярность этой технологии эксперты объясняют несколькими факторами, которые лишь отчасти совпадают с «барьерами» британского демо-проекта.
Объективных среди них два. Первый – отсутствие экономического стимула, поскольку в стране имеется альтернатива в виде дешевых энергоносителей. Второй – неблагоприятные для данной технологии климатические условия большей части территории России с низкими зимними температуры воздуха. Как показал британский проект, КПД воздушных устройств (ASHP) существенно снижается даже при -5°C, не говоря уже об обычных российских -25°C. Для менее чувствительных к морозам грунтовых насосов (GSHP) необходимо дорогостоящее бурение скважин или монтаж горизонтального контура, под который потребуется занять часть земельного участка, тем самым, выводя её из пользования.
К субъективным факторам относятся дороговизна насосов (как правило, импортируемых из-за рубежа; для сравнения стоимости установок в России и Великобритании можно обратить внимание на цифры в табл. 1), недостаточная информированность владельцев коммерческой недвижимости о её преимуществах, а также отсутствие в регионах квалифицированных специалистов по их установке и обслуживанию.
В обозримом будущем часть перечисленных факторов будут нивелированы, или заметно снижена их значимость. Разрыв между высокой стоимостью тепловых насосов и затратами на оплату централизованных коммунальных услуг будет сокращаться в силу грядущего и неизбежного удорожания электроэнергии и тепла и по мере удешевления подобных устройств с ростом предложения на российском рынке, в том числе, за счет появления новых отечественных производителей. Меняется и климат в Центральной России, где с каждым годом повышение средне-зимних температур становится всё заметнее.
Напомним, что 80% насосов в ходе проекта было установлено в домах с сетевым газом, что не помешало участникам высоко оценить потенциал новой для них технологии. Поэтому возможно, что в России перспективными могут оказаться системы отопления гибридного типа с насосом и газовым котлом. Эта гипотеза требует проверки, так как об их эффективности в условиях низких температур в британском отчете, по понятным причинам, не говорится. Хотим отметить, что инициатива, подобная проекту DESNZ и нацеленная на выявление лучших решений для российских условий, была бы весьма полезной для развития этого рынка.
В целом, можно с уверенностью прогнозировать, что альтернатива использования тепловых насосов в качестве экономичных систем отопления и кондиционирования зданий со временем будет становиться всё более привлекательной как для населения, так и для предприятий.
Подробнее читайте в Electrification of Heat Demonstration Project Summary Report, Catapulta, 2024
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
