В то время как в большинстве стран мира наблюдается активный рост потребления тепловых насосов, Украина все еще остается на обочине этого процесса. Движение в направлении широкого применения тепловых насосов идет пока туго, и, самое удивительное, что сколько-нибудь убедительного объяснения этому найти трудно.

Можно было бы предположить, что Украина не столь богата, чтобы массово применять достаточно дорогую технику, если бы в области применения совсем не дешевых автономных кондиционеров, часто называемых сплит-системами, мы не были впереди планеты всей. Ни в одной европейской столице нет такого количества уродливых наружных блоков кондиционеров, бесцеремонно выплеснувшихся на фасады зданий, сколько их установлено в Киеве.

Техническая сложность тепловых насосов тоже не должна была бы служить препятствием для их широкого применения, поскольку украинские технические службы давно и успешно справляются с установкой и эксплуатацией различного рода холодильных установок, в том числе и автономных кондиционеров, работающих по сходному с тепловым насосом принципу.

Еще несколько лет назад можно было бы говорить о недостаточной информированности общества, мало знающего о тепловых насосах. Действительно, не каждому было известно, что можно наполнить комфортное жилище теплом холодного грунта, и до недавнего времени никто и не пытался рассказать простому человеку о такой возможности. Но теперь о тепловых насосах ничего не знает только тот, кому ничто не интересно.

Единственным фактором, объективно сдерживавшим применение тепловых насосов в Украине, была относительно невысокая цена природного газа. Простому и недорогому газовому котлу, к которому из далеких подземных месторождений подается по трубопроводу недорогое топливо, сжигаемое без видимого дыма и сухого остатка, долгое время не было экономически обоснованной альтернативы. Теперь, когда газ по мере истощения природных его запасов постоянно дорожает, ситуация с применением тепловых насосов может измениться.

Как изменится у нас ситуация с применением тепловых насосов в ближайшем будущем?

Для того, чтобы попытаться ответить на этот вопрос, следовало бы определить, прежде всего, области наиболее эффективного применения тепловых насосов. Для начала обратимся к европейскому опыту, а, точнее, к принятой в 2010 году Директиве* европейского парламента, опирающейся на имеющийся в Европе опыт. Согласно этой директиве, вновь строящиеся здания должны проектироваться с использованием только четырех источников энергии, а именно:

• Возобновляемые источники энергии
• Когенерационные установки
• Централизованные системы, работающие на возобновляемых источниках
• Тепловые насосы.

Взвешенный подход к источникам энергии, характерный для Европы, вероятно, еще не слишком скоро будет принят у нас, но будет принят непременно, потому что этот подход основан не на конъюнктурных предпочтениях тех или иных деятелей, а на объективных реалиях, учитывающих неизбежно надвигающиеся на все страны мира топливные проблемы. Поэтому на постулатах европейской директивы можно строить, пока безотносительно ко времени, и украинские прогнозы.

Как видим, тепловые насосы занимают последнее, четвертое место в очень коротком перечне допустимых для зданий нового строительства источников энергии. В этом перечне вообще нет котлов на ископаемом топливе, и централизованные системы теплоснабжения от районных котельных, работающих на газе или на любом другом ископаемом топливе, согласно директиве, применяться не должны.
Несмотря на четвертое место в европейском перечне энергетических источников, на самом деле, тепловые насосыво многих случаях в будущем будут применяться практически безальтернативно. Например, в сельской местности, где даже в перспективе не будет места ни когенерационным установкам, ни централизованным системам теплоснабжения, конкуренцию зданиям с тепловыми насосами могут составить только достаточно дорогие дома с нулевым потреблением энергии. Да и в городах, применительно к украинским условиям, единственной альтернативой тепловым насосам могут быть системы теплоснабжения от ТЭЦ, от местной когенерационной установки или от котельной, в которой сжигается биомасса или мусор. Перспективы широкого применения систем теплоснабжения от тепловых насосов в Украине нужно рассматривать отдельно для индивидуальных жилых домов и городских зданий.

Область применения тепловых насосов при строительстве и реконструкции индивидуальных жилых домов, скорее всего, будет расширяться достаточно быстро. Этому процессу будут содействовать два фактора.

Первый из этих факторов, экономический, заставит владельцев индивидуальных жилых домов искать альтернативу природному газу, стоимость которого постоянно возрастает, в то время как надежность системы газоснабжения понижается. Чем быстрее будут расти цены на газ, тем активнее будут применяться тепловые насосы в этом секторе экономики. Второй фактор, технический, характеризуется хорошо отработанными конструктивными решениями, дающими вполне удовлетворительный результат. Нет никаких технических проблем в решении задачи теплоснабжения относительно небольшого дома при помощи устройств, отбирающих теплоту грунта на прилегающей к этому дому территории. Оба этих фактора и впредь будут работать на увеличение доли индивидуальных жилых домов, получающих тепло от тепловых насосов. При этом не потребуются ни бюджетные инвестиции, ни новые научные разработки. Процесс уже пошел, и, чем дальше, тем активнее он будет проходить. Катализатором этого процесса могло бы стать государственное стимулирование домовладельцев, намеренных установить у себя тепловые насосы. Методов стимулирования много, и в разных странах они применяются по-разному. Экономистам стоило бы основательно изучить эти методы, чтобы применить у нас самые оптимальные.

Гораздо больше проблем с применением тепловых насосов при строительстве и реконструкции зданий городской застройки, для теплоснабжения которых теперь сжигается больше всего природного газа.

Главная проблема состоит в том, что экономические и технические факторы, которые будут работать на широкое применение тепловых насосов в индивидуальном жилищном строительстве, в городском коммунальном хозяйстве пока работают против них. Экономическая проблема состоит в том, что в современном коммунальном хозяйстве не обойтись без централизованных инвестиций там, где должен работать тепловой насос вместо традиционной системы теплоснабжения. Еще более серьезными выглядят технические проблемы, суть которых состоит в том, что сегодня нет еще отработанных решений по обеспечению городских зданий и крупных систем теплоснабжения тепловой энергией от тепловых насосов.

Европейский опыт применения тепловых насосов тоже не дает нам много примеров использования тепловых насосов для теплоснабжения крупных городов. Опыт Стокгольма, где значительная часть города обогревается тепловыми насосами, не показателен, поскольку там в качестве источника тепла используется морская вода, а на украинском морском побережье расположено не так уж много городов. Это не означает, что в типичных условиях крупных городов нет места тепловым насосам. Но, следует иметь в виду, что предстоят серьезные научно-исследовательские работы и экспериментальные проекты, после реализации которых можно будет эффективно развивать эту отрасль.

При плотной городской застройке многоэтажными домами теплота грунта не может в полной мере обеспечить потребности систем теплоснабжения этих домов, если не применять многокилометровых скважин, возможность бурения которых проблематична как с экономической, так и с экологической точки зрения. Только хорошо утепленные малоэтажные (до 5–6 этажей) дома после соответствующей их реконструкции могли бы быть обеспечены тепловой энергией от тепловых насосов, использующих теплоту грунта, канализационных стоков и вытяжного воздуха. Частично такой проект был реализован [1] в КиевЗНИИЭПе в 2006 году. Проектом предусмотрено завершение модернизации системы теплоснабжения здания [2], но реализация проекта пока откладывается.

Более перспективным местом применения тепловых насосов в условиях городской застройки, возможно, станут районные котельные, эффективность использования которых можно существенно повысить, если в теплое время года использовать в качестве источника тепла наружный воздух. Это позволило бы не сжигать газ в котлах не только летом, когда работает одна система горячего водоснабжения, но и в переходный период, когда отопительные нагрузки относительно невелики, а температура наружного воздуха не опускается до расчетных значений. При сильных морозах, когда коэффициент преобразования теплового насоса понижается до значений 2,75* и ниже, такая система теплоснабжения могла бы работать в обычном режиме. На рис. 1 представлена схема использования теплового насоса в отопительной котельной.

В обычном режиме котел 1, в котором сжигается топливо, вырабатывает тепловую энергию, подаваемую в систему теплоснабжения 2. Как только температура наружного воздуха, измеряемая датчиком 8, поднимется выше значения, соответствующего коэффициенту преобразования теплового насоса 2,75 и выше, поворотный клапан 7 направит теплоноситель в конденсатор теплового насоса 3. При этом будет подана команда на включение компрессора теплового насоса и на прекращение подачи топлива в котел. При разветвленной системе централизованного теплоснабжения, когда теплоноситель котельной подается потребителям через центральные тепловые пункты (ЦТП), целесообразно устанавливать компрессор теплового насоса «воздух-вода» в помещении ЦТП (рис. 2).

В обычном режиме теплоноситель тепловой сети 1 подается через ЦТП в квартальную сеть 2, к которой подключаются системы отопления зданий. Теплоноситель из обратного трубопровода квартальной теплосети используется для подогрева воды в водоподогревателе 5 первой ступени горячего водоснабжения, а часть теплоносителя из подающего трубопровода теплосети подогревает воду в водоподогревателе 6 второй ступени. Горячая вода подается в квартальную сеть горячего водоснабжения 3.

При благоприятных для теплового насоса 8 погодных условиях включается насос 9 и компрессор теплового насоса. Благодаря обратному клапану 10, циркуляция теплоносителя от нового тепло-генератора 8 к обычным потребителям тепла 2 и 3 обеспечивается в нужном направлении без применения трехходового поворотного клапана, без которого нельзя обойтись в предыдущей схеме.

Если к одной котельной присоединено много ЦТП, их работа должна быть синхронизирована с тем, чтобы при работе тепловых насосов на ЦТП можно было отключить котлы в котельной.

Многие западные эксперты рекомендуют устанавливать на центральных газовых котельных когенерационные установки, которые превращают эти котельные в мини-ТЭЦ, способные подавать в город не только тепловую, но и электрическую энергию. В общем случае, это выгодно, поскольку для выработки электрической энергии сжигается природный газ, который до установки газопоршневого или газотурбинного двигателя, используемого для привода электрогенератора, сжигался в котлах котельной. Вместе с тем, нельзя не учитывать особенностей украинской энергетической системы, в которой основное количество электрической энергии производится в ядерных реакторах, электрическую мощность которых уменьшить практически невозможно. Поэтому, если на мини-ТЭЦ будет вырабатываться дополнительное количество электрической энергии, то она может быть востребована только в часы пикового ее потребления. В течение большей части суток она не нужна, потому что избыточная выработка энергии может привести к аварийной остановке реактора, а это связано со значительными потерями энергетических и финансовых ресурсов.

Вот почему украинские энергетические компании всячески сопротивляются включению когенерационных установок в энергосистему. И делают они это технически совершенно обоснованно, хотя и вопреки некоторым нормативным актам и постановлениям. Даже, если удастся, опираясь на эти акты и постановления, все же включить когенерационную установку в энергетическую систему и продать выработанную энергию энергетическим компаниям, нужно понимать, что реальным энергосбережением здесь и не пахнет.

Другое дело, если когенерационная установка в котельной вырабатывает электрическую энергию, которую продавать не нужно, а можно использовать для собственных нужд, например, для привода компрессора теплового насоса. Схема такой установки показана на рис. 3. Газовый двигатель 1 (на схеме условно показан газотурбинный двигатель, но это может быть и поршневой) когенерационной установки соединен с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию, которую потребляет двигатель теплового насоса 3. Отработанные в газовом двигателе продукты сгорания направляются в теплогенератор 2 когенерационной установки, где вырабатывается тепловая энергия. Теплоноситель из обратного трубопровода тепловой сети 4 насосом 7 прокачивается последовательно через конденсатор теплового насоса 3 и через теплогенератор 2 когенерационной установки, после чего подается в верхнюю часть промежуточной емкости 5, откуда циркуляционным насосом системы централизованного теплоснабжения подается потребителям.

Эта схема имеет много преимуществ перед другими схемами эффективного использования топлива. Поскольку тепловой насос и тепло-генератор соединены последовательно, конденсация холодильного агента происходит при относительно низких температурах, и это позволяет достичь высоких значений коэффициента преобразования. С другой стороны, совместное использование когенерации и теплового насоса обеспечивает высокую энергетическую эффективность системы. Даже при минимально допустимом в обычных системах коэффициенте преобразования теплового насоса 2,75, установка с тепловым насосом и с когенерацией способна подать примерно 1,45 единицы тепла на одну единицу энергии топлива, и это в полтора раза больше, чем способен обеспечить такой тепловой насос сам по себе. Только в связке с когенерацией тепловой насос остается эффективным при низких (до 1,5) коэффициентах трансформации. Это обстоятельство, а также низкая температура конденсации создают благоприятные условия для эффективного круглогодичного использования теплового насоса «воздух-вода» даже в климатических условиях севера Украины.

Схему, показанную на рис. 3, можно технически упростить, исключив из нее электрогенератор когенерационной установки и электродвигатель теплового насоса (рис. 4). Для этого газовый двигатель 1 должен непосредственно приводить в действие компрессор теплового насоса 3 при помощи механического их соединения. Тепловые насосы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, применяются редко, но для такого рода энергетически эффективных систем стоило бы разработать надлежащие механические связи. Преобразование электрической энергии в механическую и обратно всегда связано с потерями энергии, которых в данном случае можно было бы избежать.

Тепловые насосы — это совершенно новый пласт технических решений, который во всем мире только начинает разрабатываться. Думать, что удачно выполненный коттедж с грунтовыми теплообменниками вокруг него — это вершина достижений техники, связанной с тепловыми насосами, значит не видеть перспективы. Чем шире кругозор специалистов, вовлеченных в решение проблемы, тем эти перспективы заманчивее. Заимствовать зарубежный опыт применения тепловых насосов безусловно нужно, но этот опыт пока не дает ответа на многие вопросы, связанные с широким применением тепловых насосов в условиях плотной городской застройки. Здесь есть место для творческого поиска, новых изобретений и интересных экспериментов. И не нужно ждать, пока этот поиск совершат ученые и инженеры в других странах с тем, чтобы потом покупать чужие знания и импортную технику.

Лучше быть первыми.

1. Исследование работы теплового насоса, использующего теплоту канализационных стоков и грунта // Энергосбережение в зданиях. — 2007. —¹ 3 (¹ 334).
2. От централизованного теплоснабжения к тепловым насосам // Энергосбережение в зданиях. — 2009. —¹ 36 (¹ 349).