З 43 000 теплових насосів, проданих у Швейцарії минулого року, майже 90% мають потужність менше 20 кВт, що зазвичай достатньо для приватного або напівприватного будинку. Крім того, вже використовуються високопродуктивні теплові насоси, які забезпечують багатоквартирні будинки теплом, а промислові підприємства – технологічним теплом. Про це стало зрозуміло на щорічній конференції з теплових насосів Федерального управління енергетики Швейцарії в Берні наприкінці червня 2024 року.
Минулого року у Швейцарії було продано більше теплових насосів, ніж будь-коли раніше. У 2023 році було продано понад 43 000 блоків для виробництва тепла та гарячої води з енергії навколишнього середовища, що на 7% більше, ніж у попередньому році. Незважаючи на цю історію успіху, Alexandra Märki, керуюча директорка Асоціації теплових насосів Швейцарії (FWS), не зовсім задоволена. Сильне зростання продажів в останні роки, схоже, сповільнилося з 4-го кварталу 2023 року. Märki відзначила «падіння показників продажів», що частково пов’язано з високими процентними ставками по іпотеці, пояснила вона на конференції SFOE з досліджень теплових насосів, яка вперше відбулася наприкінці червня 2024 року в Берні в рамках 30-го видання (а не в Бургдорфі, як у попередні роки).
Хоча кількість теплових насосів, проданих у Швейцарії у 2023 році, зросла, показники продажів знижуються з 4-го кварталу 2023 року. Інфографіка: FWS
Незважаючи на цей спад, бум теплових насосів, ймовірно, продовжиться в середньостроковій перспективі. Можна також сказати, що він повинен тривати, оскільки теплові насоси є «ключовою технологією для декарбонізації будівельного сектору», як каже заступник директора SFOE Pascal Previdoli. Якщо Швейцарія хоче стати кліматично нейтральною до 2050 року, кількість теплових насосів має збільшитися вп’ ятеро: до 1,5 мільйона протягом наступних 25 років. Важливо зазначити, що теплові насоси повинні не тільки стати домінуючою технологією опалення в житловому секторі, але й набувати все більшого поширення в секторі послуг та промисловості. Вони також мають велике значення у виробництві тепла для мереж централізованого теплопостачання.
Сьогодні більшість теплових насосів малої потужності, що продаються, – це насоси потужністю менше 20 кВт, які призначені для потреб приватних і напівприватних будинків. Однак тепло навколишнього середовища (зовнішнього повітря, ґрунту, річок і озер, ґрунтових вод) можна використовувати і в набагато більших масштабах, наприклад, для опалення багатоквартирних будинків. На конференції, присвяченій тепловим насосам, команда дослідників з Женевського університету представила результати дослідження дев’яти женевських будинків, які забезпечуються тепловими насосами. Ці теплові насоси мають потужність від 30 до 5 000 кВт і в більшості випадків покривають від 50 до 100% потреб у теплі існуючих і нових будівель. За словами Simon Callegari, науковця з Женевського університету в Берні, для задоволення решти потреб у теплі використовуються газові котли, а іноді й сонячна енергія. Дане дослідження Simon Callegari робить внесок у Додаток 62 «Теплові насоси для багатоквартирних житлових будинків у містах» до Програми технологічного співробітництва IEA з технологій теплонасосних установок (IEA HPT TCP) – Annex 62 “Heat Pumps for Multi-Family Residential Buildings in Cities” of the IEA Technology Collaboration Programme on Heat Pumping Technologies (IEA HPT TCP).
Виробництво тепла у дев’яти багатоквартирних будинках, досліджених Женевським університетом, значною мірою забезпечується тепловими насосами (виділені на графіку зеленим кольором). Теплові насоси працюють з виміряним річним коефіцієнтом корисної дії від 2,3 (для існуючих, не реконструйованих будівель) до 3,7 (для нової житлової забудови). Інфографіка: UNIGE
Візуалізація ділянки Papieri у місті Шам. Тут на ділянці площею 170 000 м2 до 2035 року планується побудувати 1000 квартир та створити 1000 робочих місць. Будівлі опалюються тепловими насосами, які використовують грунт (геотермальні зонди) та річкову воду як джерела тепла. Графічне зображення: AWIAG
Теплові насоси також достатньо потужні, щоб забезпечувати теплом офісні будівлі та багатоповерхівки. На ділянці Papieri в місті Шам до 2035 року поетапно буде збудовано новий район на 1000 квартир і 1000 робочих місць – потреби в опаленні будуть покриватися виключно за рахунок теплових насосів. Після завершення будівництва проєкт забезпечуватиметься теплом з родовища, що містить 192 геотермальні зонди, які будуть пробурені на глибині 320 метрів, а також екологічним теплом річки. «З додаванням фотоелектричних панелей на даху, проєкт зможе задовольнити 75% власних потреб в енергії, а енергія, необхідна для опалення та охолодження, буде повністю відновлюваною. Досягнення позитивного енергетичного балансу для великих будівель або навіть цілого району є складним завданням, але амбітною метою», – говорить Carsten Wemhöner з Університету прикладних наук Східної Швейцарії, який надає наукову підтримку проєкту. Реалізація проєкту є частиною Додатку 62 «Теплові насоси в районах з позитивним енергетичним балансом» програми IEA HPT TCP (Annex 62 «Heat Pumps in Positive Energy Districts» of the IEA HPT TCP), яку очолює пан Wemhöner. Beat Wellig з Люцернського університету прикладних наук доповів у Берні про офісну і комерційну будівлю в Санкт-Галлені, яка опалюється тепловим насосом з показником ККД понад 10 і охолоджується з показником ККД 50. Така виняткова ефективність досягається завдяки спеціально розробленому низькотемпературному тепловому насосу, який працює при високій температурі джерела енергії (від 11 до 13 °C) і низькій температурі теплоносія (26 °C). Така низька температура теплоносія є достатньою, оскільки тепло в приміщеннях передається в повітря за допомогою конвекторів.
Ця офісна та комерційна будівля в Санкт-Галлені, збудована в 1981 році та реконструйована в 2013 році, у 2023 році була обладнана тепловим насосом з низьким ходом, який забезпечує гарячу воду температурою 26 °C. Вісім геотермальних зондів глибиною 280 м використовуються як джерело тепла або для охолодження будівлі. Тепловий насос працює з COP 10 і більше. Опалення 100 м2 площі будівлі споживає стільки ж електроенергії, скільки 40-ватна лампочка, пояснив Beat Wellig з Люцернського університету прикладних наук у наочному порівнянні. Графічне зображення: Mettiss AG.
Cordin Arpagaus, експерт з високотемпературних теплових насосів в Університеті прикладних наук Східної Швейцарії (OST), досліджував поширення великих теплових насосів (потужністю >100 кВт), що використовуються в промисловості та мережах централізованого теплопостачання. Він також бере участь у Додатку 58 «Високотемпературні теплові насоси» до програми IEA HPT TCP (Annex 58 High-Temperature Heat Pumps, of the IEA HPT TCP), де він очолює напрямок 2 «Інтеграційні концепції» («Integration Concepts»). За останні роки у Швейцарії було продано від 150 до 300 установок – низька кількість, враховуючи, що цей діапазон продуктивності має великий потенціал декарбонізації. Однак за останні шість років асортимент високотемпературних теплових насосів на ринку подвоївся. Пристрої зазвичай використовують відпрацьоване тепло як джерело тепла і виробляють технологічне тепло. Особливо високий попит на них у хімічній/фармацевтичній, харчовій та паперовій промисловості, а також для постачання мереж централізованого теплопостачання. Згідно з опитуванням, проведеним навесні 2024 року, лише 14% теплових мереж у Швейцарії наразі отримують тепло від великих теплових насосів. Теплові насоси можуть заощадити до 80% енергії, що використовується в промисловості, і скоротити викиди CO2 до 90%, як показали на прикладах дослідники OST. Для Cordin Arpagaus все ще існує величезний потенціал для надпотужних теплових насосів: «Для того, щоб використати цей потенціал, має стати доступною дешевша електроенергія. Нам також потрібні інженери, які зможуть інтегрувати такі пристрої в існуючі процеси. А для широкого застосування цієї технології потрібні фінансові заходи, такі як субсидії для теплових насосів потужністю понад 70 кВт, що передбачено до 2025 року». Більшість великих теплових насосів вже використовують природні холодоагенти. Таким чином, вони лідирують у тенденції, яка поки що ледь помітна для теплових насосів малої потужності. На додаток до технічних питань, регуляторні аспекти також є важливими для поширення великих теплових насосів у будівельному секторі. У цьому контексті Pierre Christe, експерт з теплових насосів в SFOE, оголосив, що наразі ведуться дискусії щодо поширення гарантії продуктивності (зараз вона поширюється лише на установку теплових насосів малої потужності, до 15 кВт) – на великі системи. Він також поінформував про поточну роботу над переглядом Постанови що стосується охорони вод з метою створення належних рамкових умов для сезонного зберігання тепла в ґрунті і, особливо, в ґрунтових водах. Цей розвиток особливо важливий для теплових мереж, оскільки сприятиме використанню теплових насосів та систем довгострокового зберігання тепла при плануванні мереж централізованого теплопостачання.
В Інституті енергетичних систем (IES) Університету прикладних наук Східної Швейцарії (м. Бухс/Швейцарія) в рамках проєкту Innosuisse розробляється парогенеруючий тепловий насос (100 кВт), який має забезпечувати виробництво пари до 148 градусів для промислових процесів (180 кг/год). В якості холодоагенту використовується бутан; турбокомпресор стискає водяну пару і працює на основі безмасляного газового підшипника. Фото: OST IES
На конференції в Берні було представлено низку дослідницьких проектів у галузі теплових насосів, які були реалізовані за підтримки SFOE, а деякі з них ще тривають. Серед іншого, вони включають зразкові застосування високопродуктивних теплових насосів, наприклад, на м’ясокомбінаті, пивоварні, молокопереробному заводі або заводі з виробництва веганського сиру. У своїй вступній промові Reinhard Radermacher, професор Університету штату Меріленд, США, закликав присутніх на конференції дослідників не зупинятися на досягнутому. Він закликав до нового винахідницького духу, щоб зробити теплові насоси ще компактнішими, ефективнішими та зручнішими для користувачів.
