Окупаемость системы тепловых насосов является по-настоящему важным фактором, который может способствовать развитию и распространению данной технологии в нашей стране. На эффективность работы системы с тепловыми насосами влияют как качество использования источника тепла (режим эксплуатации, температурные изменения), так и технические решения, принятые в устройстве внутренних инженерных систем (отопление, охлаждение, ГВС). Особое внимание нужно уделять устройству грунтового контура для геотермального теплового насоса. Большое влияние на эффективность работы теплового насоса оказывает температурный график системы отопления и охлаждения.
Для сравнения тепловых насосов между собой производители используют коэффициент эффективности теплового насоса (COP). Пожалуй, это единственная задача, которая решается с помощью данного показателя, потому что он является некой условной величиной, которая определена в лабораторных условиях. COP не даёт вам никакой информации о ежегодной производительности. COP (Coefficient of Performance) — коэффициент полезного действия, который определяется и рассчитывается согласно EN 255 и EN 14511. Он показывает отношение полезной тепловой мощности к мощности, необходимой для работы самого теплового насоса:
COP = QWP / Pel,
поэтому наиболее комплексный и объективный показатель — сезонный коэффициент эффективности работы теплового насоса (SPF).
SPF (Seasonal Performance Factor) — это сезонный коэффициент эффективности, отношение количества всей энергии, вырабатываемой тепловым насосом (+ ТЭН) в течение года, к количеству электрической энергии, расходуемой на его работу (+ насос, ТЭН). Факторы, которые влияют на значение SPF: тип системы отопления (тёплый пол, радиаторы), температурный режим, COP, по
ведение клиентов и т.д. Чем выше SPF, тем выше эффективность всей системы (значение 3,0-4,5). При снижении температуры окружающей среды качественные и количественные характеристики теплового насоса снижаются, что будет влиять на значение SPF.
Важно договориться, какой коэффициент эффективности рассматривается, принимаются ли в расчёт данные по циркуляционным насосам первичного контура и данные по затратам и выработке энергии с помощью нагревающего ТЭНа. Интересно посмотреть на результаты мониторинга установленных систем тепловых насосов, недавно проведённые в Германии и опубликованные в журнале REHVA.
SPF — это сезонный коэффициент эффективности, отношение количества всей энергии, вырабатываемой тепловым насосом (+ ТЭН) в течение года, к количеству электрической энергии, расходуемой на его работу (+ насос, ТЭН)
В общей сложности с 2007-го года около 250 тепловых насосов прошли мониторинг по трём программам. Проводился мониторинг систем как с геотермальными, так и воздушными тепловыми насосами. На объектах часть тепловых насо сов, установленных около 10 лет назад, работала совместно с системой радиаторного отопления. Самый последний мониторинг HP Monitor оценивал новейшие модели тепловых насосов с более высокими показателями эффективности — значение SPF доходит до величины 5,0 и более.
Обычно считается, что с точки зрения эффективности потенциал у геотермальных тепловых насосов выше. Однако при некачественном проектировании, ошибках в расчётах, небрежности в монтаже геотермального контура, в том числе и при неправильном подходе к организации внутренних систем (отопления, охлаждения и ГВС), все потенциальные возможности геотермального теплового насоса могут не реализоваться. Результаты мониторинга подтверждают данный факт, вследствие этого системы воздушных тепловых насосов, более простые для монтажа, могут показывать эффективность выше геотермальных.
Данные мониторинга подтверждают, что установка дополнительного электрического ТЭНа не оказывает значительного влияния на значение сезонного коэффициента эффективности. Большое влияние оказывает энергопотребление циркуляционного насоса в геотермальном контуре. Выводы по результатам мониторинга: необходимо ответственно подходить к проектированию и монтажу грунтового контура; выбор системы отопления/охлаждения существенно влияет на эффективность системы; ТЭН потребляет незначительное количество электрической энергии; необходимо уделять внимание выбору циркуляционного насоса; SPF более 5,0 достижим.
Использование высоких температур для охлаждения (16-19 °C) и низких температур для отопления (30-35 °C) приводит к повышению эффективности теплового насоса по сравнению с традиционными системами. Снижение температуры теплоносителя для отопления на один градус повышает эффективность теплового насоса в среднем на 2,0-2,5 %.
Тепловой насос может использоваться не только для отопления, но и для охлаждения зданий. Это дополнительное преимущество при выборе теплового насоса, что позволяет устанавливать один источник вместо двух (например, котла и чиллера). В качестве систем охлаждения, работающих на высоких температурах, могут использоваться системы напольного охлаждения, холодных потолков, стен, термоактивных строительных конструкций. Для систем, в которых геотермальные тепловые насосы (GEO) работают совместно с термоактивными строительными конструкциями (TABS), существует распространённый в Европе акроним — GEOTABS. С одной стороны, используется теплоёмкий потенциал грунта, а с другой — инерционная и теплоёмкая система внутри здания. В Москве уже реализован первый объект с технологией GEOTABS (бизнес-центр «Премиум Вест»). Система TABS оптимальным образом подходит для работы с тепловым насосом, благодаря температурному графику теплоносителя (от 15 до 30 °C). Аккумуляция теплоты в конструкциях здания позволяет срезать пиковую нагрузку на источник тепло- или холодоснабжения, уменьшить его размеры и номинальную мощность.
Необходимо уделять внимание стоимости жизненного цикла, использовать этот подход для расчёта срока окупаемости инвестиций с учётом: ставки дисконтирования, изменения стоимости энергоносителей, амортизации и износа. Стоимость жизненного цикла здания и его элементов рассчитывается путём сложения различных типов затрат и применения к ним ставки дисконтирования для пересчёта на текущий год, плюс остаточная стоимость
В России ряд компаний уже начинает применять такой инструмент, как энергомоделирование, что, безусловно, может эффективно способствовать качественной разработке проектов и обеспечить возможность в дальнейшем осуществлять мониторинг объекта и вносить коррективы, в том числе и в систему автоматизации. Без моделирования совместное применение системы рекуперации, тепловых насосов, энергоэффективных ограждающих конструкций, может не привести к ожидаемому результату. Подобные решения иногда способны взаимно исключать друг друга. С помощью простых прикладных инструментов расчёта это оценить достаточно сложно. Для этого существуют специализированные программные комплексы по энергомоделированию.
Определённая сложность заключается в том, что порой у специалистов, которые работают на монтаже тепловых насосов в Российской Федерации, недостаточно опыта и данных по расчётам, в первую очередь, по неким усреднённым величинам, которыми можно было бы пользоваться для подбора геотермального контура. Порой это приводит к не очень хорошим последствиям — в частности, к заморозке грунта, снижению эффективности теплового насоса и т.д. Налицо необходимость обобщения накопленных данных, определение удельных величин отведения для РФ. Необходима стандартизация и коллективная работа, хотя бы потому, что не у всех есть возможность использовать различные программные продукты.
Многие данные, которые попадают в Россию из-за рубежа, в том числе отражаемые в технической литературе производителей, для РФ не подходят. Нужно вносить поправки в параметры для средних грунтов, годовую продолжительность работы теплового насоса и т.п.
Многие пользуются стандартом VDI, но по факту те расчёты, которые делаются с помощью специализированных программ, очень часто оказываются неверны. Пример такой расчётной программы — программа EED.
Необходимо также уделять внимание стоимости жизненного цикла, использовать этот подход для расчёта срока окупаемости инвестиций с учётом: ставки дисконтирования, изменения стоимости энергоносителей, амортизации и износа. Стоимость жизненного цикла здания и его элементов рассчитывается путём сложения различных типов затрат (начальные инвестиции, стоимость энергии, эксплуатации, утилизации) и применения к ним ставки дисконтирования для пересчёта на текущий год, плюс остаточная стоимость, как показано ниже:
где Cg(τ) — затраты жизненного цикла (приведённые к начальному году τ0); CI — первоначальные инвестиции на реализацию мероприятия или комплекса мероприятий j; Ca,i(j) — годовые эксплуатационные расходы за год i на реализацию мероприятия или комплекса мероприятий j; Rd(i) — ставка дисконтирования за год i; Vf,t(j) — остаточная стоимость одного или нескольких мероприятий j на конец расчётного периода (относится к начальному году τ0), определяется путём равномерной амортизации начальных инвестиций к концу расчётного периода и относится к началу расчётного периода.
