На викопне паливо припадає значна частина української енергетики. Втім, пріоритетом для України зараз є курс на енергонезалежність та кліматичну безпеку. Це означає, що найближчими роками зростатиме попит на децентралізовані рішення з використанням “зеленої” енергії. Бо, у порівнянні з генераторною “золотою лихоманкою”, автономні екологічні енергосистеми вже не здаються такими недоступними. 

Один з таких напрямків – використання теплових насосів (ТН) для опалення/охолодження приміщень у комбінації з ВДЕ-генерацією.

За даними Міжнародного енергетичного агентства, електричні теплові насоси зараз задовольняють лише 10% глобальної потреби в опаленні будівель. При цьому в агентстві підрахували, що їх поширення може скоротити глобальні викиди вуглекислого газу не менш як на 500 мільйонів метричних тонн до 2030 року.

“Українська енергетика” пропонує розглянути кілька практичних кейсів та ознайомитись з економікою використання систем “теплові насоси+сонячні станції” для енергозабезпечення різних будівель. 

 

Теплові насоси діють за принципом Карно

 

На початку ХІХ століття французький фізик Саді Карно, якого тепер називають “батьком термодинаміки”, сформулював оборотний круговий процес, в якому відбувається перетворення теплоти на роботу, або роботи на теплоту. 

За циклом Карно працюють теплові насоси (холодильники, кондиціонери), які зараз забезпечують людству високий рівень комфорту та, навіть, життя.

Теплові насоси використовують здебільшого відновлювані джерела енергії для опалення приміщень та нагріву води. Вони беруть теплову енергію з повітря, води чи землі, які своєю чергою отримують її від сонячної чи геотермальної енергії.

У залежності від зовнішнього джерела енергії визначають різні типи ТН. Наприклад, геотермальні теплові насоси типу “грунт-вода” використовують енергію землі, що надходить із вертикальних або горизонтальних свердловин. Насоси типу “вода-вода” використовують енергію підземних вод, водойм або стічних вод, а “повітря-повітря” – зовнішнє повітря.

 

Загальна схема, за якою діє тепловий насос. Джерело: alterair.ua

 

Експеримент з альтернативного обігріву невеликого будинку 

Інженер-електрик Олександр Андрусенко переїхав з Криму до Полтави у 2014 році після анексії півострова військами рф. Родина Андрусенків придбала невеликий будинок на околиці міста і Олександр взявся за його переобладнання. Будівлю, зведену кілька десятиліть тому, новий власник утеплив пінополістиролом.

На новому місці спеціалісту знадобився практичний досвід зі встановлення сонячних панелей у власному житлі у Сімферополі. Вже у 2014 році в його новій оселі запрацювала дахова автономна сонячна станція. Згодом на подвір’ї домохозяйства власник власноруч змонтував ще й мережеву СЕС на “зеленому” тарифі. Наразі своїми практичними порадами з монтажу та експлуатації обладнання СЕС він постійно ділиться з новачками на власному каналі.

 

Будинок Олександра Андрусенко з автономною системою на сонячних панелях та мережевою станцією на “зеленому” тарифі. Фото автора

 

“Українська енергетика” попросила Олександра Андрусенко розповісти про власний досвід заміщення газового опалення на систему з сонячних панелей та повітряних теплових насосів (кондиціонерів). 

Інженер з 2016 року  вирішив перейти з газового опалення будинку площею 80 кв. метрів на систему “повітря-повітря”, яка складається з інверторних кондиціонерів та автономної СЕС станції потужністю 15 кВт. Основну мотивацію такої заміни він сформулював так: “поставив собі свідомо, щоб не споживати російський газ”.

Він оцінив, що співвідношення витраченої та отриманої енергії не на користь нагрівальних елементів та, навіть, не на користь інфрачервоних. Тому вибір був за кондиціонерами-інверторами, які плавно змінюють оберти двигуна компресора, що економить енергію та зменшує шум. 

“Електрики знають, що для обігріву 10 кв. метрів опалювальної площі, якщо користуватись нагрівальними елементами, потрібно витратити близько 1 кВт енергії. Кондиціонер-інвертор – це той же тепловий насос “повітря-повітря”. На 1 кВт спожитої електроенергії виробляється 3-4 кВт теплової. Тобто 80 кв. метрів теоретично можна обігріти 2 кіловатами електроенергії. Але це при ідеальних умовах”, – поділився міркуваннями з вибору обладнання Олександр.

Дві зими спеціаліст експериментував з двома кондиціонерами. Наступного сезону встановив третій, аби температура у будинку стала більш рівномірною. За цей час особливих проблем не виникало, крім дозаправки хладагентом. 

“Резервне газове опалення я вмикав коли температура “за бортом” падала нижче 15 градусів. У першу зиму після встановлення я користувався газом сумарно п’ять діб, – уточнив Олександр Андрусенко. – Максимальне годинне споживання двох кондиціонерів я фіксував на рівні 2 кВт електроенергії, хоча зазвичай цей показник був на рівні 0,4-1 кВт. Система забезпечувала комфортну для нас температуру повітря у будинку близько 20-22 градусів тепла”.

 

Олександр Андрусенко: кондиціонер-інвертор поставив собі свідомо, щоб не споживати російський газ

Втім, за роки користування власник дійшов висновку, що з огляду на вартість обладнання, тепло від кондиціонерів приблизно дорівнює вартості опалення на газі. При цьому вимагає значної уваги на регулювання.

“Наразі багато грошей “з'їдає” обслуговування. Для того щоб було вигідно, треба робити систему управління "розумний дім", яка з огляду на температуру за вікном, автоматично керуватиме, що саме задіювати для опалення: газ або кондиціонер. Після падіння температури нижче нуля ефективність обігріву від кондиціонера критично падає. Тут нічого не поробиш – фізика”, – підсумував Андрусенко.

На його думку, зараз така система неокупна. Крім того, війна додала свої ризики з енергозабезпечення.

“Досвід осені-зими з бомбуваннями показав, що під час відключень електроенергії газ є більш надійним ресурсом. Крім того, після зростання ціни на електроенергію, а у цьому я впевнений, використання кондиціонерів стане “золотим” для побутового споживача. Отже подібну систему опалення я наразі не раджу, – поділився досвідом Олександр Андрусенко. – Для більш ефективної роботи встановлюють теплові насоси з теплообмінником, який заглиблюється у землю на великій площі, або занурюється у воду яка постійно тече: річка, грунтова вода, центральна каналізація тощо. Там стабільна плюсова температура”.

Крім цього, існують інші рішення для ефективності та окупності, але картина буде повною тільки після війни та встановлення зрозумілої цінової політики на електрику, газ та обладнання. Зараз обігрів тільки на електриці від сонця можуть собі дозволити або ідейні ентузіасти, або забезпечені люди, яким все одно чим опалювати приміщення, резюмував Андрусенко.

 

Економіка залежить від збалансованого підходу 

 

Наступний приклад демонструє професійний підхід до обладнання будинку тепловим насосом у поєднанні з сонячною станцією.

Щоб оцінити економіку використання теплового насоса у порівнянні з електричним чи газовим опаленням “Українська енергетика” звернулась до фахівця з практичним досвідом у проєктуванні та встановленні систем “зеленої” генерації.

Технічний директор компанії SolarWind Systems Віталій Шестак запропонував розібрати задачу на реальному прикладі одного з приватних господарств на Київщині, де система “СЕС+ТН” успішно працює вже другий рік. 

 “Для опалення будинку встановлено тепловий насос “повітря-вода” на 16 кВт. Цієї потужності вистачає для добре утепленого будинку з теплою підлогою на 240 кв. метрів опалювальної площі. Крім цього, у будинку встановлено гібридну сонячну електростанцію, що складається з фотомодулів на 6,6 кВт, та двох інверторів – гібридного та мережевого”, – представив систему  енергозабезпечення господарства фахівець. 

 

Будинок, обладнаний гібридною СЕС, ТН та системою накопичення енергії, Київська область. Фото: Віталій Шестак
 

Мережевий інвертор працює на компенсацію власного споживання по всім трьом фазам і на продаж надлишків генерації по “зеленому” тарифу. А гібридний інвертор використовується лише для компенсації власного споживання та автономної роботи по двох фазах, пояснив Віталій Шестак.

Експерт зазначив, що у даній системі частина фотомодулів перекриває лише власне споживання. Це означає, що генерація без споживання призупиняється. 

Інша частина фотомодулів працює по системі “зеленого” тарифу, тому використовуються всі 100% згенерованої електроенергії. Частина йде на власне споживання, а надлишки поступають в мережу та враховуються по “зеленого” тарифу.

 

Зліва направо: будинковий щит розподілення, автоматичний ввід резерву (для генератора) та інвертор. Фото: Віталій Шестак

 

Дані обліку роботи цієї домашньої СЕС за 2022 рік продемонстрували, що фотомодулі згенерували 3,47 МВт-год, з них на власне споживання використано 3 МВт-год. Енергія, отримана від мережі склала 2,38 МВт-год. На заряд акумуляторних батарей за рік пішло 0,71 МВт-год.

Аналіз показав, що влітку 2022 року генерація сонячних панелей не лише повністю перекриває власне споживання, але й значна її частина надходить у мережу, зазначив фахівець.

Втім, він наголошує, що на практиці об'єкти дуже відрізняються один від одного, тому даний приклад не можна вважати типовим.

“Зазвичай, 1 кВт встановленої потужності мережева СЕС генерує за рік 1100 кВт-год/рік електроенергії. У такому випадку, частина панелей працює лише на компенсацію власного споживання, тому вони не завжди працюють на повну потужність. Також слід враховувати орієнтацію панелей на схід. З таким розташуванням панелі максимально ефективно працюють лише у першій половині дня”, – пояснив спеціаліст загальну картину роботи мережевих станцій.

Динаміку споживання електричної енергії тепловими насосами, необхідної для роботи встановленого у господарстві ТН під час опалювального періоду можна простежити. По діаграмі бачимо, що пік споживання припадає на січень-лютий, а максимальні місячні витрати електроенергії на роботу ТН у лютому 2023 року становили 1500 кВт-год.

 

Дані споживання електроенергії теплонасосом за 2022 та початок 2023 року. Джерело: Віталій Шестак 

 

Щоправда, минула зима була відносно теплою. Наприклад, у лютому 2021 року було витрачено 2200 кВт-год/міс, але й ці витрати є набагато меншими ніж при використанні електрокотлів, відмічає Віталій Шестак.

“Реальні дані, отримані від контролера ТН, показують, що коефіцієнт ефективності СОР (Coefficient of Performance – ред.) коливається від 1,6 до 3,4 в залежності від місяця. А це означає, що витрати електроенергії будуть меншими у 1,6…3,4 рази, – наголосив спеціаліст. – Зрозуміло, що цю енергію буде важко отримати взимку від сонця. Частину енергії доведеться добирати з мережі. Але комплекс енергоефективних заходів дозволить суттєво зменшити витрати на опалення та електрозабезпечення”.

 

Під час користування ТН взимку 2022-2023 рр максимальні місячні витрати на опалення становили 1500 кВт-год на місяць.
 

Серед основних рекомендацій, які дозволять значно підвищити ефективність використання для опалення подібних гібридних систем, експерт виділяє порядок першочергових дій.

Спочатку необхідно утеплити будинок. Також варто встановити енергоефективну систему вентиляції з рекуперацією повітря, яка дозволить заощадити від 30 до 70% енергії, що витрачається через провітрювання будинку в опалювальний період.

Далі, за оцінкою експерта, встановлення ТН дозволить зменшити споживання електроенергії майже у 3,5 рази. І тільки потім варто розміщувати власну електростанцію, яка дозволить зменшити платіжки вже до нуля, принаймні, у весняно-осінній період.

Звичайно, можлива й повна відмова від централізованих постачальників енергоносіїв, але Віталій Шестак наголосив, що така автономія буде коштувати понад 2000 доларів за один кВт встановленої потужності.

Отже, спеціаліст радить приймати збалансоване рішення, зважаючи на всі можливості та економічні складові.

 

Тепловий насос обігріває сільську амбулаторію поблизу Києва

 

Цей кейс знайомить нас з пілотним проєктом обладнання екологічною системою енергозабезпечення комунального закладу. Він став можливим завдяки співпраці кількох громадських організацій та міжнародному фінансуванню від Greenpeace CEE. 

Село Горенка, яке розташоване на межі з Києвом, зазнало значних руйнувань від російського агресора у перші місяці 2022 року. Було зруйновано та пошкоджено до 80% осель та будівель. 

На початку березня минулого року постраждала й селищна амбулаторія. Уламки снаряда, що влучив у подвір’я закладу, пошкодили фасад та дах, а вибухова хвиля винесла вікна. Згодом без енергопостачання вийшла з ладу й система опалення, яку забезпечували газові котли. 

Відновити роботу медзакладу вдалось у січні 2023 року завдяки пілотному проєкту Greenpeace “Партнерство громад заради зеленого відновлення України” у співпраці з ГО “Екодія”, ГО “Екоклуб” та БФ “Перемога України”. 

Тепер технічне обладнання оновленої амбулаторії включає сонячну електростанцію, тепловий насос та систему накопичення енергії. Система забезпечує освітлення й опалення амбулаторії та роботу медичного обладнання.

 

Гібридна СЕС на даху будівлі амбулаторії у селі Горенка. Джерело: відео Greenpeace
 

Для забезпечення амбулаторії електроенергією встановлено СЕС загальною потужністю 12 кВт.

На даху амбулаторії змонтовано 28 сонячних панелей потужністю 415 Вт кожна. Крім того, сонячна станція має у своєму складі інвертор та акумуляторну батарею на 8 кВт-год, розповіла про встановлене обладнання Ганна Рутковська, фахівчиня з енергетичної політики ГО “Екодія”.

“Це сучасна гібридна сонячна станція. Вона може працювати, як приєднана до мережі, так і автономно. Наприклад, у лютому 2023 року, коли на Київщині були аварійні відключення електроенергії, станція забезпечувала потреби амбулаторії”, – зазначила фахівчиня. 

 

Моніторинг роботи обладнання відбувається дистанційно. Джерело: відео Greenpeace

 

Наразі СЕС амбулаторії села Горенка забезпечує енергією частину обладнання медзакладу. За словами директорки амбулаторії Олени Южвак, взимку генерації від СЕС недостатньо, сонячної енергії вистачає на освітлення, роботу кардіографа та комп’ютерної техніки. Для роботи потужного автоклава-стерилізатора та бойлера для нагріву води енергію беруть із зовнішньої мережі.

Пілотний проєкт тільки розпочав роботу. Тому, щоб оцінити економіку в залежності від сезону, спеціалісти проводять постійний моніторинг.

У ГО “Екодія” відмічають, що у лютому 2023 року сонячна станція покрила 45% потреб амбулаторії в електроенергії, у березні – 60%, а у квітні вже близько 80%. Загалом розробники запланували, що СЕС має покривати до 60% середньорічного споживання електроенергії амбулаторією.

Для забезпечення опалення амбулаторії площею 320 кв. метрів спеціалісти обрали тепловий насос “грунт-вода” потужністю 20 кВт. 

Ще до початку виконання проєктних робіт було проведено обстеження будівлі, визначено потрібне теплове навантаження, з’ясовано, чи дозволяють правила безпеки встановлення теплового насосу, а також проведені інструктажі персоналу з експлуатації обладнання. 

Для встановлення ТН було обладнано зовнішній контур на задньому дворі медзакладу.

“На території амбулаторії було пробито сім вертикальних свердловин глибиною 65 метрів кожна. Циркуляційним теплоносієм є пропіленгліколь, простіше – антифриз, як в автівках. Ця рідина вбирає у себе тепло землі, стискається компресором теплового насосу, при цьому нагріваючись, а потім віддає своє тепло воді, що циркулює у системі опалення будівлі”, – пояснила принцип дії встановленого обладнання Ганна Рутковська.

 

Схема розташування зовнішнього контуру ТН на території амбулаторії. Джерело: відео Greenpeace

 

Проєктом передбачається споживання електроенергії тепловим насосом за опалювальний сезон на рівні 9-12 тис. кВт-годин. Наразі електроживлення обладнання відбувається з мережі. Перші місяці роботи показали, що енергії від ТН достатньо для опалення амбулаторії у зимовий період. 

 

Технічні роботи зі встановлення обладнання теплового насосу у селі Горенка

 

У проєкті також враховано резервний варіант: за відсутності електропостачання, уночі можуть вмикатись старі газові котли для опалення приміщень. Згодом їх замінять на більш енергоефективні, але зараз ці котли забезпечують аварійний резерв теплозабезпечення. Їх електроживлення також можливе від власної СЕС, яка спроможна забезпечити роботу циркуляційного насоса під час застосування графіку аварійного чи стабілізаційного відключення електроенергії. 

 

Перші місяці роботи показали, що енергії від ТН достатньо для опалення амбулаторії у зимовий період

 

Загальна вартість проєкта з реконструкції системи опалення із встановленням теплового насоса, сонячної станції та необхідного обладнання становить близько 56 тис. євро. А окупність цього проєкту, завдяки економії на вартості придбання енергії ззовні, спеціалісти прогнозують на рівні шести-семи років.

“Важливо використовувати ресурси, які дають нам надра, сонце. Йде війна, тож основне питання для нас зараз – не економія, а те, що заклад автономний і не залежить від форс-мажорів, від генераторів. Особливо ми це відчули, коли на початку року не було світла, а ми вже мали можливість живитись від СЕС” – підкреслила Олена Южвак, директорки амбулаторії. 

В “Екодії” вважають, що ці проєкти мають і будуть масштабуватись та реалізовуватись у громадах.

 

Наведені приклади показали, що використання теплових насосів у комбінації з сонячними станціями у приватних господарствах поки не дуже масова практика. Власники пояснюють це значними капітальними витратами та невизначеністю цінової політики на енергоносії. Основною мотивацією встановлення гібридних систем вони вважають не економічну доцільність, а фактори енергонезалежності, екологічності та автономності роботи обладнання.

Економіка встановлення ТН індивідуальна для кожного об'єкта та залежить, як зазначають експерти, від багатьох факторів: енергетичних показників будівлі, об'єму опалюваної площі, наявних джерел енергії. Фахівці вказали на те, що для ефективної роботи подібних систем, необхідно заздалегідь утеплити приміщення, встановити системи збереження тепла та подбати про резервне опалення.

 

 Лариса Білозерова, спеціально для “Української енергетики”