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.