Технологія: Теплові насоси

Теплові насоси для централізованого теплопостачання

Теплові насоси використовують електрику або паливо для керування процесом, у якому тепло при нижчій температурі «переміщується» до вищої температури. У цьому процесі більш холодний резервуар тепла охолоджується, а більш теплий резервуар тепла нагрівається. Чим вище різниця температур, тим більше енергії потрібно на одиницю виробленого тепла. Холодним резервуаром може бути повітря, грунт або вода. Вода може надходити з багатьох джерел, включаючи ґрунтові води, річки, моря. Вода також може надходити з геотермальних джерел або від відпрацьованого тепла. Останнє актуально, якщо ці джерела недостатньо теплі для безпосереднього використання в системі централізованого опалення. Повітряні теплові насоси дешевші, ніж ґрунтові теплові насоси, але мають обмеження в тому, що зазвичай вони не працюють при температурах повітря нижче -15 °C, а їх ефективність низька при низьких зовнішніх температурах.

Більшість теплових насосів працюють з такими компресорами, як холодильник. Їх також називають реверсивними холодильниками, де холодні частини знаходяться зовні, а теплі - всередині, навпроти холодильника. Теплові насоси також можуть працювати за принципом абсорбційного охолодження.

Теплові насоси для централізованого опалення зазвичай мають ефективність, яку також називають коефіцієнтом продуктивності (coefficient of performance (COP), близько 3, що означає, що 1 одиниця електроенергії виробляє три одиниці тепла, поглинаючи дві одиниці тепла з навколишнього середовища або від іншого холодного джерела тепла. Найбільші теплові насоси (понад 10 МВт) часто мають серію контурів, кожен з яких забезпечує менший температурний крок. Теплові насоси здебільшого використовуються в системах централізованого опалення з низькими температурами теплоносія: 60-70°C температура подачі та 30-40°C температура зворотної води.

Приклади

Центральне теплопостачання м. Віде-Санде (Hvide Sande)

Місто Hvide Sande в Данії з 2874 жителями, має централізоване теплопостачання, яке поєднує в собі газову ТЕЦ, сонячне опалення, електричний котел і тепловий насос. Компанія також має два вітряки, які виробляють електроенергію, яку можна або використовувати в тепловому насосі, в електричному котлі, або можна продавати. Крім того, компанія має великий теплоакумулятор. У 2019 році компанія інвестувала в тепловий насос потужністю 4,88 МВт, який використовується, коли це найменш витратне рішення. Часто тепловий насос використовується для виробництва тепла за допомогою електроенергії від вітрових турбін. Тоді немає плати за передачу та розподіл електроенергії. Комбінація теплового насоса з когенерацією та вітровою енергією була дуже економічною комбінацією на датському ринку, де інколи енергію може продаватись за високу ціну. Це призвело до рекордно низької ціни на тепло для міста.

Централізоване теплопостачання м. Лем

У м. Лем в Данії з населенням 1296 жителів, компанія централізованого теплопостачання в 2014 році інвестувала в абсорбційний тепловий насос потужністю 400 кВт, щоб доповнити наявну теплову станцію, вже обладнану газовою когенераційної установкою, газовими котлами та котлом на деревній трісці. Абсорбційний тепловий насос у своєму процесі використовує тепло від котла на деревній трісці. Потім, у 2018 році, компанія інвестувала в установку 8140 м² сонячних колекторів, а в 2021 році - в тепловий насос повітря-вода потужністю 4,2 МВт на полі поблизу міста. Щоб оптимізувати виробництво тепла в умовах зміни попиту, змін цін на енергію та сонячного світла, компанія тепер також має накопичувач тепла із двома резервуарами для води, які разом вміщують 2200 м³ води.

Технічні параметри

Розміри: варіюються від менше 1 МВт до близько 100 МВт.

ККД (COP) залежить від гарячих і холодних температур. Ефективність залежить від співвідношення між гарячою температурою (у Кельвінах) і різницею між гарячою та холодною температурами. Як приклад для теплових насосів, що працюють від електрики: якщо гаряча температура в середньому становить 55 °C (328 K) (температури прямої та зворотної лінії з логарифмічним середнім), а холодна температура в середньому становить 0 °C, теоретичний COP становить 333/55 = 6, але практичний COP становить лише половину цього, COP=3) через механічні та термічні втрати та незворотність. Дивіться точну формулу в «Джерелах інформації» нижче.
Для теплових насосів, що працюють на паливі, ефективність – це комбінація двигуна та самого теплового насосу, зазвичай приблизно 150% від подачі газу/мазуту до виходу тепла з використанням енергії навколишнього середовища.

Термін служби: технічний термін служби 25 років.

Вимоги до простору: сам тепловий насос невеликий і може бути розміщений у контейнері (до 3 МВт):

• Повітрозабірник для повітряно-повітряних теплових насосів більший. Включно з простором навколо рекомендовано 600 м²/МВт тепла. Також слід враховувати відстань до сусідів через шум від вентиляторів.
• Ґрунтові теплові насоси вимагають розсольних труб під приблизно 30 м² землі на кВт зібраного тепла. Для теплового насоса потужністю 1 МВт із COP=3 зібране тепло становить 660 кВт, що потребує 19 800 м² = 2 га землі. Землю все ще можна використовувати для сільського господарства, відпочинку тощо.

Викиди: під час нормальної роботи викидів немає, але в разі аварій можливі викиди холодоагентів. Деякі холодоагенти, HFC, є парниковими газами, тоді як інші легкозаймисті (вуглеводні, як бутан). Інші є отруйними (як аміак) або потенційно задушливими у великих кількостях (CO₂).

Фінансові параметри

Номінальні інвестиції:

• Для джерела повітря теплового насосу, включаючи забір повітря, на МВт теплової потужності 860 000 – 1 400 000 євро для розмірів 10 – 1 МВт.
• Для теплового насосу без забору тепла, на МВт теплової потужності 670 000 – 1 240 000 € для розмірів 10-1 МВт (менші інвестиції на МВт для більших блоків).

FФіксовані витрати на експлуатацію та технічне обслуговування: 2000 євро/рік за МВт теплової потужності.

Змінні витрати на експлуатацію та технічне обслуговування: 1,7 – 2,7 євро/МВтгод тепла для 10 – 1 МВт з меншим значенням для більшої установки.

Джерела інформації

Розрахунок енергії та економіки

• Каталог технологій для постачання електроенергії та тепла Датського енергетичного агентства, онлайн

Кейси

• Hvide Sande Fjernvarme: hsfv.dk
• Lem Varmeværk: lemvarmevaerk.dk
• Актуальні дані для деяких систем централізованого теплопостачання з тепловими насосами: emd-international.com

Постачальники та установники технологій

Технічні консультації

• planenergi.eu