Реконструкция инженерных систем существующих жилых зданий в Германии

Статистика

Наиболее распространёнными в Германии источниками энергии для отопления существующего жилья являются (табл. 1): природный газ, центральное теплоснабжение, керосин, тепловые насосы, древесина, пеллеты и уголь, а также прямой электронагрев.

Природный газ (44%) — наиболее массово применяется сегодня для отопления жилых зданий в Германии. Преимуществ у этого вида отопления, конечно, много. Он относительно дёшев (был) и минимально инициирует глобальное потепление. Природный газ в основном состоит из молекул метана (СН4), следовательно, при горении образуется всего одна молекула углекислого газа и две молекулы воды:

CH4 + 2O2 → CO₂ + 2H2O.

Например, при горении угля молекул углекислого газа образуется в три раза больше. Газ удобно разводить трубопроводами по кварталам. Кстати, если в России принята открытая разводка газовых труб на фасадах домов, то в Германии все газовые трубы спрятаны под землю, и по внешнему виду дома невозможно определить, на газе он или нет.

Недостатки у газа сегодня это, во-первых, цена. На оптовом рынке Германии стоимость газа поднялась с $200 до $1500 за 1000 м³, то есть практически в восемь раз. Поэтому на данный момент в Германии газ по сравнению с другими источниками тепловой энергии нерентабелен. И тактически ситуация в ближайшие год-два вряд ли изменится в лучшую для газа сторону. Стратегически Германия поставила цель достичь углеродной нейтральности к 2045 году. Поэтому общий прогноз для газа получается плачевный.

Своих источников газа у Германии нет, экспортировать его стало дорого, поэтому, начиная с 2022 года, мы будем наблюдать массовый перевод немецких газовых систем отопления на другие источники тепловой энергии — например, тепловые насосы.

Германия экспортирует около 94% потребляемого природного газа. Примерно 50% газа в 2020 году приходилось на поставки из России, вторая половина экспортировалась из Норвегии и Нидерландов. К концу апреля 2022 года доля российского газа снизилась до 35%. Скорее всего, эта доля будет и дальше стремительно падать. В целом, газ планировался правительством Ангелы Меркель как переходный источник энергии между «грязными» угольными и опасными атомными электростанциями к «чистой» ветряной и солнечной энергетике. Но сегодня уже всем очевидно, что эта стратегия была неправильной. Германия планирует быстрее переходить на солнце и ветер, а в течение переходного периода принято решение использовать угольные и оставшиеся атомные электростанции.

Центральное теплоснабжение (18%) — занимает вторую строчку популярности как источника тепла для систем отопления жилых зданий. Во-первых, это, конечно, тепло от атомных, угольных и газовых электростанций, которым параллельно с выработкой электроэнергии необходимо куда-то сбрасывать низкопотенциальную тепловую энергию. И отопление жилых зданий в данном случае получается фактически бесплатным — это идеальный вариант. Но дело в том, что Германия планирует отказываться от выработки электроэнергии с помощью атомных и угольных электростанций, поэтому автоматически доля систем отопления с центральным теплоснабжением будет уменьшаться. Не нужно забывать про мусоросжигательные заводы, которые тоже генерируют тепловую энергию, используемую для отопления зданий.

Керосин (15%) — до сих пор наиболее часто используемый вид источника энергии на юге Германии. Если дома на севере Германии (Берлин, Гамбург, Бремен) практически полностью переведены на газ, то юг — это пока «царство керосина» в немецких системах отопления. Хотя дни немецкого керосина практически сочтены, так как принят закон о запрете применения этого вида топлива в новых домах и при реконструкции жилого фонда.

Тепловые насосы (14%) — самый динамично развивающийся тип систем отопления в Германии и во всём мире. В новых домах доля тепловых насосов занимает уже более 55% и продолжает стремительно увеличиваться. Все остальные системы отопления, вместе взятые, занимают всего 45%. Но в существующих зданиях всё не так радужно. Основная проблема замены газового или угольного котла на тепловой насос — низкая температура теплоносителя после теплового насоса, которая ведёт к полной переделке всей системы отопления, а не только замене источника тепла. В целом в нашей статья далее как раз и будут рассмотрены пути решения этой проблемы.

В частных домохозяйствах Германии можно видеть аккуратные поленницы из дров

Древесина, пеллеты (5%) — экологически безопасный вид тепловой энергии. Поскольку древесина, пеллеты, прессованная солома (или остатки любой сельскохозяйственной продукции, которые могут гореть) являются, по сути, возобновляемым ресурсом, их применение поддерживается правительством Германии. В частных домохозяйствах можно видеть аккуратно сложенные поленницы из дров, которыми не брезгуют пользоваться даже богатые немцы.

Уголь (3%) — был самым популярным видом топлива в Германии в XIX и первой половине XX века. В своё время я немало удивился, когда узнал, что знаменитые танки «Тигр» и «Пантера» во время Второй мировой войны ездили на синтетическом бензине, произведённом из угля, интенсивно добываемого в Германии.

В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус получил жидкое топливо из угля и запатентовал свой метод. Жидкое топливо получалось при каталитической гидрогенизации угля под высоким давлением и при высокой температуре. На производство одной тонны топлива расходовалось примерно четыре тонны каменного угля или восемь-десять тонн бурого угля. Когда Германия после Второй Мировой войны получила доступ к дешёвой нефти, смысла в таком производстве бензина не стало.

Подземное хранилище газа (ПХГ) «Реден» (федеральная земля Нижняя Саксония, ФРГ) является крупнейшим в Германии и в Западной Европе в целом — объём активного газа в ПХГ, по его техническим характеристикам, может составлять до 4 млрд м3

Вторая половина XX века проходила в Германии под лозунгом отказа от угля в пользу газа, керосина и центральных систем отопления, поэтому сейчас крайне редко можно встретить печь на угле.

Я могу рассказать интересную историю, которая произошла со мной в Берлине. Как-то раз в одном центральном, но старом районе Берлина я почувствовал знакомый запах горящего угля. Моё детство прошло в небольшом уральском посёлке, где все дома отапливались углём, а снег вокруг них был чёрного цвета. Поэтому запах горящего угля я знаю очень хорошо. Так вот, оказалось, что некоторые дома в Берлине старой постройки действительно имеют функционирующие в XXI веке угольные печи.

Прямой электронагрев (1%) — встречается редко и, как правило, в комбинации со старым печным отоплением. Хотя в качестве источника горячей воды (ГВС) проточные электроводонагреватели используются очень часто.

Подготовительные работы

Итак, хозяин частного дома устал платить большие счета за газ или просто решил поменять свою старую систему отопления на современную. Для этого он нанимает компанию для обследования здания и получения рекомендаций, какая система отопления ему подходит и что именно необходимо поменять в его старом доме. Компания обследует дом и в 99% случаев рекомендует установить тепловые насосы (Wärmepumpe). Преимущества тепловых насосов для условий Германии очевидны:

1. Стоимость 1 кВт тепловой энергии для отопления получается самой недорогой, в пределах 5–8 евроцентов за 1 кВт тепла.

2. Тёплые европейские зимы благоприятны для работы воздушных тепловых насосов.

3. В летний период стоимость тепловой энергии для нужд ГВС получается 3–5 евроцентов.

4. Не нужны отдельные помещения для хранения угля, дров и т. д.

5. Нет опасности взрыва газа.

6. Тепловые насосы не загрязняют окружающую среду (это считается неоспоримым фактом).

7. Правительство Германии компенсирует до 45% стоимости оборудования и монтажных работ.

К недостаткам тепловых насосов можно отнести следующие:

1. Необходимость найти место для установки наружного блока.

2. Шум от работающего компрессора.

3. Переделка всей системы отопления (не всегда).

Но вместе с заменой системы отопления на тепловой насос компания советует выполнить следующие мероприятия:

1. Поменять все окна в здании на двухкамерные стеклопакеты. Не секрет, что основные потери тепловой энергии происходят в любом здании через окна. Поэтому для сбережения тепла важнейшим условием является увеличение термического сопротивления окна и уменьшение инфильтрации. Современные двухкамерные стеклопакеты вполне справляются с этой задачей. Приведённая стоимость новых окон составляет €40–60 на 1 м² площади помещения.

2. Сделать утепление наружных стен здания. В Германии я часто наблюдаю простой и недорогой вариант утепления наружных стен строительным пенопластом, оштукатуренным и покрашенным в нужный цвет. Толщина 10 см вполне достаточна, учитывая среднюю температуру отопительного периода +3°C. Приведённая стоимость утепления ограждающих конструкций — €50–80 на 1 м² площади.

3. Установить систему рекуперации тепла вытяжного воздуха. Системы вентиляции жилых зданий жизненно необходимы в Германии не только для дыхания людей.

Влажный климат быстро приводит к образованию плесени в помещениях (Schimmelpilz), поэтому необходим достаточный воздухообмен и постоянный отвод влажного воздуха из помещений. К тому же после замены окон и утепления наружных стен потери тепла с вентиляционным воздухом становятся основными. Внедрение приточно-вытяжных установок с противоточными рекуператорами тепла позволяет сократить расход энергии на систему отопления минимум на 30%. Приведённая стоимость системы рекуперации тепла вытяжного воздуха составляет €150–200 на 1 м² площади.

Выбор новой системы отопления

После выполнения всех дополнительных работ, снижающих нагрузку на систему отопления здания, выбирают непосредственно схему данной системы.

Особенностью тепловых насосов является низкая температура теплоносителя. Для стандартной отопительной системы с газовым или угольным котлом расчётный температурный перепад составляет 50–70°C, а для теплового насоса — 40–45°C, а лучше 30–35°C. Поэтому невозможно просто поменять котёл на тепловой насос.

Рис. 1. Схема отопления здания воздушным тепловым насосом (1 — наружный блок; 2 — внутренний блок «фреон-вода»; 3 — бак ГВС с дополнительным электронагревателем; 4 — коллектор; 5 — трубы тёплого пола; 6 — электронный пульт управления с термостатом)

Оптимальной системой отопления для тепловых насосов является «тёплый пол» с температурой поверхности 26–30°C. То есть так технически совпало, что тепловой насос обладает оптимальными параметрами теплоносителя для тёплого пола. Схема отопления здания воздушным тепловым насосом с системой «тёплый пол» стандартна и подробно рассмотрена в первой части статьи (рис. 1) [1].

Итак, вот какие нюансы имеются для существующих жилых зданий. Владелец говорит: «да, меня всё устраивает, но я не могу сделать тёплый пол по причине… (варианты: дорогой паркет, старые перекрытия, слишком много мебели и т. д.)». И тогда в, казалось бы, безвыходной ситуации монтажная компания предлагает следующие решения.

1. Не менять существующую систему отопления и поменять только источник тепла на тепловой насос. Но как это возможно? Ведь выше мы уже выяснили, что температура теплоносителя после теплового насоса значительно ниже, чем после газового котла. Стандартные параметры — это 70°C на входе в отопительный прибор и 50°C на выходе из него. Средняя температура поверхности 60°C, следовательно, температурный перепад «60°C минус 20°C (воздух в помещении) равно 40°C». Запомним эту цифру, поскольку именно от среднего перепада температуры между теплообменивающимися средами зависит производительность радиатора.

В случае применения теплового насоса температура теплоносителя на входе 45°C. На выходе она будет зависеть от многих параметров, но, допустим, расход воды остался прежним, а производительность радиатора упала в два раза. И перепад температуры стал, соответственно, не 20°C, а 10°C. Следовательно, температура воды на выходе из радиатора составит величину 45°C — 10°C = 35°C.

Средняя температура радиатора 40°C, и температурный перепад между воздухом в помещении и радиатором равен 20°C. Теперь вспоминаем, что стандартный температурный перепад для старой системы был 40°C, следовательно, наше предположение о том, что производительность радиатора упадёт примерно в два раза, оказалось верным.

Способна ли система старая система отопления с радиаторами, в случае её перевода на тепловой насос и потери своей производительности в два раза эффективно обогреть здание? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним все мероприятия по утеплению, что мы провели. Замена окон на новые сокращает потери тепла на 20–30%, утепление стен — на 15–20%, установка системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуператором тепла даёт ещё 20–30% экономии. Поэтому, если провести все эти мероприятия, то мы уменьшим энергопотребление здания как минимум на 55%, что согласуется с потерями производительности существующей системы отопления в два раза. Поэтому ответ — да, это возможно.

2. Частичная замена системы отопления. Владелец здания видит эти расчёты и всё равно продолжает сомневаться. Тогда компания-консультант предлагает следующее практическое решение: для проверки расчётов мы можем сделать утепление здания и включить существующую систему газового или угольного отопления на новые параметры 45–35°C. И после этого проверить, во всех ли помещениях поддерживается требуемая температура. Далее во всём доме температура воздуха будет устраивать заказчика, но, например, только в одном помещении она окажется ниже «требуемой плюс 20°C». Тогда можно поставить дополнительный радиатор лишь в этом помещении и не переделывать всю систему в целом.

3. Оставить прежний источник тепла как пиковый. Давайте посмотрим, какая расчётная температура наружного воздуха характерна для Германии в зимний период. Это −10°C для Бонна, −14°C — для Берлина и самая холодная расчётная температура в Германии (-20°C) наблюдается в городе Оберстдорфе на юге Германии в Баварских Альпах. Фактически, в связи с глобальным потеплением, эти температуры в Германии наблюдаются крайне редко и не каждую зиму. Например, пять лет снега зимой в Берлине вообще не было, но зимой 2020–2021 снег выпал на две недели. Правда, до −14°C столбик термометра так и не добрался. А ведь именно эту температуру наружного воздуха принимают для расчётов систем отопления в качестве минимальной.

Сейчас следует объяснить, что такое бивалентная система отопления. Особенностью работы воздушных тепловых насосов является их низкая эффективность при наружной температуре −10°C и ниже. То есть принципиально они могут работать и до −25°C, но производительность при этом упадёт в три раза, а коэффициент преобразования СОР снизится до 2,0. Это всё равно выгоднее, чем использовать прямой электронагрев, но значительно меньше, чем при стандартных +7°C.

Поэтому в случае реконструкции систем отопления существующих зданий часто советуют оставить предыдущий котёл, с помощью которого можно закрывать редкие пиковые потребности в тепловой энергии (рис. 2).

Рис. 2. График изменения тепловой нагрузки на систему отопления здания и точка подключения дополнительной системы теплоснабжения

Стандартная температура работы воздушного теплового насоса на тепло составляет +7°C. Именно для такой температуры указывают производительность и характеристики тепловых насосов в технических каталогах. Реальная наружная температура будет колебаться от +30°C летом до −15°C зимой. Летом нагрузка на тепловой насос будет крайне низка, но всё равно она будет, так как необходимо подогревать воду для системы горячего водоснабжения (ГВС). В нашем случае это около 2–5 кВт тепловой энергии.

При температуре +20°C и ниже постепенно повышается температура воды в радиаторах системы отопления или тёплых полах. Тепловой насос увеличивает свою производительность, постепенно увеличивая скорость вращения инверторного компрессора. И на расчётной температуре −5°C производительность теплового насоса и частота вращения компрессора достигают 100%. При дальнейшем снижении наружной температуры производительности теплового насоса будет не хватать, поэтому нужен дополнительный источник тепла (газовый или угольный котёл, пеллеты, прямой электронагрев и т. д.). Эту температуру, которую в нашем примере мы приняли −5°C, и называют «бивалентной точкой».

Здесь наблюдается интересное поле для деятельности инженера при выборе температуры бивалентной точки. Теоретически её можно сдвинуть на −15°C, и дополнительный источник тепловой энергии совсем не потребуется. Но тогда модель теплового насоса будет примерно в два раза больше, так как производительность при −15°C в два раза меньше, чем при стандартной температуре +7°C. Или мы сдвинем точку бивалентности на +3°C (средняя температура отопительного периода). Тогда типоразмер теплового насоса будет самым маленьким, но половину зимы мы вынуждены будем использовать угольный или газовый котёл как дополнительный источник тепловой энергии.

Но вернёмся к нашим реконструируемым зданиям. Мы знаем, что в здании установлен котёл, использующий относительно дорогой источник энергии, — природный газ или пеллеты. И сотрудники консалтинговой компании как раз советуют оставить его как добавочный источник тепла при редких морозах ниже −5°C. Тогда всё получается идеально: 95% дешёвой тепловой энергии вырабатывается с помощью тепловых насосов и 5% при пиковых холодах с помощью пеллет, считающихся экологически безопасным источником энергии. И никаких дополнительных капитальных затрат от хозяина дома для этого не потребуется.

4. Полная замена радиаторов и трубопроводов. Если по какой-либо причине владелец здания не может или не хочет уменьшать теплопотери здания (например, здание имеет историческую ценность, и менять окна или фасад просто запрещено), то мы вынуждены сохранить прежнюю производительность системы отопления. Понятно, что с помощью существующих радиаторов и трубопроводов это сделать невозможно. Поэтому можно сохранить прежнее расположение и схему, но изменить диаметры трубопроводов и отопительные приборы. При этом радиатор под окном становится в два раза больше, а труба с теплоносителем увеличивается на один-два типоразмера.

5. Применение приёмников тепла с вентилятором (фанкойлов). Одним из решений для низкотемпературного источника тепла является применение напольных фанкойлов. То есть естественный теплообмен при температуре радиатора отопления 40°C достаточно слабый, поэтому его можно усилить дополнительным обдувом воздуха с помощью вентилятора (рис. 3). В результате отопительный прибор получается намного компактнее и не занимает всю стену под окном комнаты. Хотя при работе вентилятора образуется небольшой шум, который может мешать, например, в спальне.

Рис. 3. Напольный фанкойл как альтернатива радиаторам отопления

Выводы

Резкое — в пять-шесть раз — подорожание природного газа на оптовом рынке в Германии неизбежно приводит к ускоренной замене газовых котлов в жилых домах на более дешёвые и современные источники тепловой энергии.

И здесь бесспорными лидерами являются тепловые насосы «воздух-вода», характеристики работы которых удачно вписываются в мягкий немецкий климат. Правительство Германии объявило о государственной поддержке владельцев недвижимости при установке тепловых насосов, компенсируя до 45% затрат на покупку и установку.

Однако нельзя просто поменять газовый котёл на тепловой насос, необходимо провести комплекс мероприятий, чтобы удачно вписать новый источник тепловой энергии в существующую систему отопления здания. Подготовка здания к монтажу новой системы отопления обходится до €340 за 1 м² здания плюс стоимость непосредственно теплового насоса.