1. История создания тепловых насосов

Теория тепловых машин возникла в первой половине 19 века, толчком к её созданию послужило развитие теплотехники и, в частности, изобретение паровой машины в конце 18 века. К середине 19 столетия также относятся первые удачные попытки создания холодильных машин.

В 1852 физик Уильям Томсон предложил первую модель теплового насоса, назвав ее «умножителем теплоты» (heat multiplier).

Принцип работы умножителя теплоты, созданного Томсоном, был следующий: во входной цилиндр поступает воздух с улицы, там он расширяется, в результате чего происходит его охлаждение. Далее он поступает в ресивер, где осуществляется его нагрев от наружного воздуха. Затем он поступал в выходной цилиндр, сжимался и ощутимо нагревался. В нагретом состоянии он поступал в помещение, тем самым обогревая его. Принцип работы такого механизма был основан на изменении температуры газов при их расширении и сжатии (эффект Джоуля-Томсона).

Взяв идею Томсона, австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер смог ее развить и усовершенствовать. Проведя ряд экспериментов в 1856 году, он создал самый первый тепловой насос, выпаривающий рассол в соляных шахтах.

Скорее всего, именно изобретение Риттингера стимулировало работу установки таких насосов в шахтах соседа – швейцарии. Установка по выпариванию соли была создана позже швейцарцами – Дж. Вейбелем и П. Пикаром, и впервые ее установили в 1876 году. Эта машина была более производительна, нежели машина, созданная Риттером. Позже такие машины стали устанавливать во Франции и Германии. еще позже швейцарец Генрих Зоэлли предложил использовать грунт слоев земли как низкопотенциальный источник теплоты. В 1912 году он получил патент на свое изобретение.

Во многом новые инженерные решения были придуманы благодаря дефициту топлива в течение Первой мировой войны. После 1918 года начали проводить исследования использования тепловых насосов с целью обогрева зданий, и в результате проекты домов с отоплением на базе таких установок были реализованы. Первую теплонасосную установку для отопления своего дома построил в 1927 году в шотландии английский инженер Д. Холдейн. В качестве теплового насоса (ТН) была использована холодильная машина с электроприводом в 5 кВт. В установке имелось два испарителя. Один испаритель был установлен вне помещения для использования тепла наружного воздуха, а другой был погружен в бак с проточной водой, установленный внутри помещения.

Первая крупная теплонасосная установка в европе была введена в действие в Цюрихе в 1938-39 гг. В ней использовались тепловая энергия речной воды, ротационный компрессор и хладагент.

Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60 °с при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. В период с 1939 по 1945 годы было создано еще 9 подобных установок с целью сокращения потребления угля в стране. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет.

В конце 40-х годов в сшА было установлено, что коммерческий успех будет выше, если производить «агрегированные» установки, полностью собранные на заводе-изготовителе и встроенные в дома, и с 1952 г. такие тепловые насосы стали поступать на рынок в большом количестве.

Общее число работающих ТНУ в сшА превышает в настоящее время 30 млн ед., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн ед. Этому способствовал ряд факторов: большая часть территории сшА имеет низкоплотную индивидуальную застройку в условиях сравнительно теплого климата, поэтому низкотемпературные системы отопления небольшой мощности на базе ТНУ нашли широкое распространение, в отличие от централизованных систем теплоснабжения, и имеющиеся ограничения ТН по нагреву теплоносителя на уровне 50-60 °с в таком климате не стали препятствием.

2. Этапы развития тепловых насосов

1975–1985: годы становления

Этот период характеризуется различными амбициозными инициативами, исследованиями и разработками. Кроме того, было проведено большое количество полевых измерений и исследований.

Определенным успехом на рынке пользовались тепловые насосы неглубокого залегания с грунтовым источником тепла, часто со змеевиками прямого расширения. Эта технология получила поддержку Департамента энергетики швеции – выделялись щедрые государственные субсидии и гранты, результатом которых в начале 1980х годов становится «всплеск» интереса к тепловым насосам. В 1985 году в системе централизованного теплоснабжения швеции уже работало около 100 тепловых насосов мегаваттной мощности, кроме этого около 110 000 насосов малой мощности использовались в жилых домах.

В стокгольме с 1985 действует самая большая теплонасосная установка Ropsten суммарной мощностью 250 МВт на морской воде ≥ 2 °C., а также Hammarby с тепловой мощностью 200 MВт на сточных водах ≥ 8 °C.

Проблем с хладагентами не возникало: вопросы истощения озонового слоя и глобального потепления были неизвестны. В системах с грунтовым источником обычно использовались R22 или R502.

Уникальная особенность того времени – работа многих систем исследовалась с момента создания еще длительное время, что позволило накопить существенный опыт.

Типичный расчетный средний сезонный коэффициент эффективности тепловых насосов (отношение количества всей энергии, вырабатываемой тепловыми насосами в течение года, к количеству энергии, расходуемой на их работу, включая энергию, вырабатываемую резервным источником теплоснабжения (если предусмотрен): 2,0– 2,5 (грунтовый источник), 1,5–2,2 (наружный воздух) и 2,0–2,5 (вытяжной воздух).

1986–1995: крушение рынка и прекращение использования хладагента

Начало периода характеризовалось окончанием энергетического кризиса, и как следствие снижением стоимости мазута и других видов топлива, на фоне этого ТНУ стали менее привлекательными. Прекращение использования фреона еще более усложнило жизнь производителей. Та же швеция оказалась на передовой запрета озоноразрушающих веществ и запустила первую национальную исследовательскую программу в области альтернативных хладагентов: R143 быстро стал заменой для R12, R404A и R507 – для R502, а затем R407C – для R22. И уже в начале 1990 х в швеции было установлено большое количество тепловых насосов «воздух — воздух», которые еще не были полностью адаптированы для работы в ее климатических условиях: изменение температуры наружного воздуха выше или ниже ожидаемых границ вызывало неполадки.

Тогда же появились пластинчатые теплообменники, позволившие существенно уменьшить объем используемого хладагента и снизить разницу температур в теплообменнике. Компрессоры становились все более эффективными.

Типичный расчетный средний сезонный коэффициент эффективности тепловых насосов достигал:

• для частных жилых домов 2,5–3,0 (грунтовый источник), 2,0–2,5 (наружный воздух) и 2,5–3,5 (вытяжной воздух);
• для системы централизованного теплоснабжения 2,5–3,0 (сточные воды ~ 10 °C, централизованное теплоснабжение ~ 80 °C).

1996–2000: восстановление рынка

Данный период можно охарактеризовать некоторым восстановлением рынка ТН во всей европе, особенно для установок малой мощности, таких как тепловые насосы, использующие в качестве источника теплоты вытяжной воздух (ТН с ВВ).

Данные агрегаты устанавливались преимущественно в новых домах и выполняли функцию систем рекуперации теплоты для бытового горячего водоснабжения, что соответствовало строительным требованиям, действующим на тот момент. Новые требования к строительству предполагали увеличение теплоизоляции зданий, благодаря чему отопительная нагрузка небольших жилых зданий снизилась. Тепловая мощность ТН с ВВ позволила покрывать приблизительно 50% энергетической нагрузки (остальную часть обеспечивал вспомогательный электрический нагреватель). с этого времени ТН с ВВ стали стандартным решением для отопления малых и средних жилых домов не только в передовой в этом направлении швеции, но и во многих европейских странах, а их монтаж и подключение стали обычными услугами.

2001–2005: взлет рынка и совершенствование продукции

В эти годы наблюдалось весьма широкое распространение тепловых насосов. Образовался устойчивый рынок, особенно для установок, предназначенных для частных домов – тепловых насосов с грунтовым источником (ТН с ГИ), в которых контроль производительности был стандартной функцией.

Швеция, как и некоторые другие европейские страны, в это время запустила правительственные программы, поддерживающие инвестиции, нацеленные на снижение расхода мазута и модернизацию домов с электрическим отоплением. Быстро внедряются тепловые насосы «воздух – вода»: появились новые модели, благодаря выгодной инвестиционной стоимости и/или неблагоприятным условиям для бурения.

Конструкция тепловых насосов для жилого сектора становится более совершенной: с использованием систем управления, оптимально подбирающих температуру приточного теплоносителя к температуре наружного воздуха, с минимальным временем простоя между запусками системы, с использованием защитных циклов от легионеллы и т.д., а R407с становится стандартным хладагентом.

Типичный расчетный средний сезонный коэффициент эффективности тепловых насосов достигал:

• для частных жилых домов 2,5–3,5 (грунтовый источник), 2,0–3,0 (наружный воздух), 2,5–3,5 (вытяжной воздух);
• для системы централизованного теплоснабжения 2,5–3,5 (сточные воды ~ 10 °C, централизованное теплоснабжение ~ 80 °C), 4,0–6,0 (комбинированное отопление и охлаждение).

2006-2016 годы

Тепловые насосы с грунтовым источником в швеции достигли высокого признания; порядка 30% частных домов на данный момент отапливаются различными системами с тепловыми насосами.

Этот метод сегодня является предпочтительным для односемейных домов с умеренными энергетическими нагрузками. Для меньших домов с малыми энергетическим нагрузками стандартным решением являются тепловые насосы с источником теплоты из вытяжного воздуха. Но вполне возможно, что вскоре широкое распространение получат системы с двойным источником теплоты – вытяжной воздух и грунтовый теплообменник, поскольку это позволит достичь лучшего эффекта, что согласуется с требованиями новых европейских директив в области энергоэффективности.

Распространению ТН в швеции способствовали три важных фактора:

• субсидии правительства на переход от использования жидкого топлива и электрообогрева к отоплению тепловыми насосами;
• рост строительства нового жилья;
• введение шведской ассоциацией тепловых насосов сертифицирования монтажных организаций, подтверждающего наличие достаточной квалификации для установки ТН.

Особое внимание также уделялось потребительской надежности и безопасности тепловых насосов.

Кроме того, в швеции действует около 100 мощных (более 200 кВт) тепловых насосов с грунтовым источником для отопления и охлаждения офисных зданий, а также около 40 систем с открытым контуром (грунтовые воды) большой мощности. Внимание производителей обращается к рабочей жидкости теплового насоса: предпринимаются попытки введения новых требований или маркировки для продвижения так называемых натуральных хладагентов. стандартным выбором является R407C или R404A, R410A или R134A.

В Финляндии увеличение капитальных расходов на ТН по сравнению с электрообогревом и котлами, работающими на жидком топливе, в течение 35 лет окупаются сокращением эксплуатационных расходов. Это способствовало расширению продаж ТН. Их доля на рынке теплоснабжения за последние 10 лет выросла с 1 % до 30 % (для ТН с использованием теплоты грунта).

Европейская ассоциация по тепловым насосам (The European Heat Pump Association, EHPA) в рамках ежегодного отчета представила данные по продажам теплонасосного оборудования в 2015 г.. согласно опубликованному отчету, европейский рынок тепловых насосов вырос на 10% по сравнению с данными 2014 г. (рис. 1).

Рис. 1. Статистика продаж тепловых насосов в европе в 2005-2015 гг.

В результате зафиксирован рекорд по продажам, который составил 880 179 единиц оборудования. И если с точки зрения роста рынка были и лучшие времена (2005–2007 гг.), то в абсолютных цифрах поставлен рекорд по продажам тепловых насосов за год.

Рост продаж на европейском рынке тепловых насосов в основном обусловлен динамично развивающимся сегментом воздушных тепловых насосов (источником низкопотенциальной тепловой энергии является воздух). В абсолютных цифрах рост продаж по сравнению с 2014 г. составил в сегменте «воздух–воздух» 46 000 единиц, в сегменте «воздух–вода» 18 000 единиц.

По странам наибольшее увеличение продаж тепловых насосов зафиксировано в средиземноморском регионе – в Испании (+ 28 000 ед.), Италии (+ 20 000 ед.), Франции (+ 16 000 ед.). Общая картина по всей европе представлена на рис. 2.

На рис. 10 представлена статистика продаж теплонасосного оборудования в 2005–2015 гг. с разбивкой по типам оборудования. Наглядно виден рост продаж воздушных тепловых насосов. И если сравнить 2005 и 2015 гг., то видно, что продажи геотермальных тепловых насосов (источником низкопотенциальной тепловой энергии является преимущественно грунт, также возможно использование поверхностных и грунтовых вод) остаются примерно на одном уровне, в продажах тепловых насосов «воздух–воздух» наблюдается рост порядка 25 %, у тепловых насосов «воздух–вода», рост самый ощутимый – примерно в 6–7 раз.

Рис. 2. Статистика продаж тепловых насосов с указанием долей продаж по типам оборудования

Если говорить о продажах тепловых насосов в привязке к 1000 домовладений в конкретной стране (своего рода плотность распространения теплонасосного оборудования), то пятерка лидеров выглядит следующим образом: Швеция (30 на 1000), Норвегия (29,7 на 1000), Эстония (28 на 1000), Финляндия (23 на 1000), Дания (12,3 на 1000). Наибольший потенциал для роста наблюдается в Германии и Великобритании. Количество проданных тепловых насосов по странам отражено на рис. 3. Пятерка лидеров: Франция (209 000 ед.), Италия (121 000 ед.), Швеция (103 000 ед.), Испания (83 000 ед.), Германия (70 000 ед.).

Рис. 3. Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам

Увеличению продаж тепловых насосов на европейском рынке способствует и то, что многие страны, в частности Франция, швеция, Германия, ввели льготные программы в качестве поощрения за установку тепловых насосов, поскольку по сравнению с котлами и другими устройствами, использующими в качестве источника тепла сжигание топлива, тепловые насосы «воздух — вода» отличаются более высокими капитальными затратами.

Кроме того, один из пунктов широко известного Плана европейской комиссии «20–20–20» устанавливает доведение доли энергии из возобновляемых источников до 20 % от общего уровня энергопотребления. Применение тепловых насосов «воздух — вода» рассматривается как один из инструментов повышения энергоэффективности и снижения нагрузки на окружающую среду, что в итоге должно способствовать достижению поставленных целей.

Анализируя потенциал продаж (рис. 4), EHPA прогнозирует, что если европейские национальные рынки продаж достигнут уровня шведского рынка и темпы роста не уменьшатся, то в сравнительно небольшой срок количество тепловых насосов в европе может вырасти до 60 млн. Этого достаточно, чтобы заменить российский газ, используемый на нужды отопления.

Рис. 4. Потенциал продаж тепловых насосов в 2015 г. в европе при условии, что спрос во всех европейских странах в пересчете на 1000 домовладений был бы аналогичен спросу в швеции. Фактические продажи в 2015 г. отмечены красной точкой

По словам генерального секретаря EHPA Томаса Новака (Thomas Nowak), такие показатели еще не достигнуты. Но интерес к тепловым насосам в европе постоянно растет. Все большее число экспертов приходят к выводу, что декарбонизация отопительного сектора невозможна без использования тепловых насосов. Население также обращается к данным технологиям. Отмечается рост числа городов, претендующих на награду EHPA «Город года по использованию тепловых насосов» («Heat Pump City of the Year»). Однако в европейском союзе пока не созданы условия, способствующие широкому внедрению эффективных и лучших технологий. В европейских странах действуют регламенты по повышению энергоэффективности, предписывающие улучшать теплоизоляцию зданий. Это приводит к снижению тепловой мощности, необходимой для отопления домов. следствием этого становится уменьшение производительности тепловых насосов, устанавливаемых в новостройках.

Рынок тепловых насосов «воздух-вода» продолжает демонстрировать стабильный рост. По оценкам JARN, в 2015 году его объем составил 1 779 500 единиц оборудования, что на 2 % больше показателей предыдущего года. Тепловые насосы «воздух-вода» имеют широчайшую область применения, и в последнее время все чаще используются в производственных процессах.

Европейский рынок тепловых насосов «воздух-вода» в 2015 году достиг объема в 244 000 единиц оборудования, показав рост на 5,2 % по сравнению с 2014 годом. Крупнейшие потребители такой техники в регионе – Франция, Германия и Великобритания. Там эти тепловые насосы применяются, главным образом, для отопления помещений, однако, растет спрос и на приборы, обеспечивающие горячее водоснабжение.

В Китае рынок тепловых насосов вырос за год на 4,9 % — до 1 035 000 единиц. В Японии, согласно данным Ассоциации индустрии холода и кондиционирования JRAIA, в 2015 году было продано более 406 700 тепловых насосов Eco Cute, что меньше показателей предыдущего года на 6,7 %.

Стимулирование рынка тепловых насосов «воздух — вода» в Китае. 2012 и 2013 годы стали важными вехами в развитии китайского рынка тепловых насосов «воздух — вода», используемых в качестве водонагревателей. В 2012 году эти устройства впервые были включены в государственную программу субсидирования покупки энергосберегающего оборудования. В 2013 году эта программа завершилась, и вступили в силу новые, более жесткие стандарты энергоэффективности [62].

Вмешательство государства сыграло ключевую роль в быстром развитии сегмента тепловых насосов для нагрева воды. 1 июня 2012 года начал действовать регламент по энергоэффективности тепловых насосов «воздух — вода», согласно которому, в частности, этот вид оборудования подпадал под программу государственного субсидирования. Размер субсидии, выделяемой на покупку теплового насоса, составлял от 300 до 600 юаней. Всего в программе приняли участие 58 предприятий. По данным статистических исследований, в 2012 году государственное стимулирование способствовало росту рынка тепловых насосов для нагрева воды на 35%.

Когда программа субсидирования была завершена, Китайская ассоциация энергосбережения (CECA) и Альянс индустрии тепловых насосов Китая (CHPIA) объединили усилия местных производителей тепловых насосов, создав рабочую группу для выработки предложений, развивающих этот важный сегмент.

Государство поощряет использование тепловых насосов для нагрева воды, предоставляя субсидии по договору об электроснабжении. По условиям договора размер субсидии зависит от количества сэкономленной электроэнергии. Таким образом, стимулируется разработка все более энергоэффективных устройств.

Местные власти также стараются поощрять использование таких тепловых насосов. В частности, в Цзянсу, шанхае и Чунцине выделяются субсидии на приобретение подобных устройств. В провинции Цзянсу тепловые насосы «воздух — вода» включены в двенадцатилетний план по энергосбережению зданий и сооружений. Власти Ханьданя, города в провинции Хэбэй, также поощряют использование этих агрегатов.

Таким образом, тепловые насосы широко распространены в регионах и странах, различных как по климату, так и по способам регулирования.