Хибридни термопомпи

Приблизително 40% от консумираната на територията на ЕС енергия се изразходва в домакинствата, като 70% от този дял се използва за отопление на помещения и получаване на гореща вода. Голяма част от 122-та милиона домакинства в държавите членки все още се отопляват чрез изгаряне на изкопаеми горива.

Поради това е необходимо намирането на решение, което да позволи подобряване на енергийната ефективност в значителна степен и съответно редуциране консумацията на първична енергия и ограничаване на емисиите на въглероден диоксид. В същото време топлогенераторите трябва да предлагат гъвкавост по отношение на монтажа им в различните видове сгради в ЕС, в много от които се използват радиатори с температура на водата до 80°C. Електрическите термопомпи осигуряват високоефективна алтернатива за отопление с ниски нива на отделяни въглеродни емисии.

Една хибридна система може да осигури вода с температура от 25 до 80°C, подходяща за всякакви видове отоплители, включително за подово отопление и радиатори. Благодарение на отличните си екологични характеристики, приложимостта в различни видове сгради и относително ниските цени и инсталационни разходи, хибридните термопомпи могат да допринесат към усилията на ЕС за постигане на амбициозните цели 20-20-20 - 20% редуциране на емисиите на парникови газове в сравнение с нивата от 1990 г.; 20% увеличение на дяла на възобновяемите източници в енергийния микс; и 20% понижение на енергопотреблението до 2020 г.

Принцип на действие

Хибридните термопомпи представляват комбинация от високоефективен газов котел и термопомпа въздух-вода. Като хибридни се дефинират системите, които осигуряват енергия за отопление, охлаждане и/или получаване на битова гореща вода, благодарение на два различни, функциониращи съвместно енергийни източника.

Технологията на кондензните котли позволява оползотворяването на енергията от горивото почти без загуби. Това е от полза както за околната среда, така и за икономиката, тъй като по-ниското потребление на енергия означава по-ниски разходи за отопление, редуциране използването на енергийни ресурси и ограничаване на емисиите на въглероден диоксид.

По време на процеса димните газове се охлаждат до кондензиране на съдържащата се в тях пара, като освободената при това енергия се използва за отопление. Помпата въздух-вода е устойчив източник на енергия, който извлича топлина от околния въздух. В затворен контур, съдържащ хладилен агент, се създава термодинамичен цикъл чрез изпарение, кондензация, свиване и разширение, който води до повишаване на температурата.

Хибридните термопомпи се предлагат с различни работни режими, в зависимост от използваните от производителя стратегии за управление. Термопомпата може да бъде използвана за предоставяне на топлинна енергия за задоволяване на по-голямата част от нуждите за отопление, а котелът да бъде включван по време на периодите с ниски температури на околната среда през зимата или при пиково потребление. В една такава система котелът и термопомпата могат да работят както съвместно, така и поотделно.

Горещата вода се осигурява от кондензния газов котел. Има възможност и за предварително загряване на водата чрез термопомпата. В такива случаи обаче е необходимо използването на резервоар за съхранение. Системата може да бъде използвана и в комбинация със соларни панели за получаване на гореща вода.

Според резултатите от различни проучвания, с режима на съвместно функциониране на котела и термопомпата може да се реализира подобрение на енергийната ефективност с близо 10% в сравнение с използването само на кондензен газов котел. Разходите също могат да бъдат сведени до минимум посредством динамичното превключване от едната система на другата в зависимост от различните температури на околната среда или изменящите се тарифи за електроенергия и газ.

Като основно предимство на хибридните термопомпи обаче може да бъде посочено редуцирането на натоварването на електроразпределителната мрежа благодарение на превключването от котела към термопомпата през периоди с висока потребност от топлинна енергия.

Компоненти

Хибридните термопомпи се състоят от три основни елемента - външно тяло, вътрешно тяло и кондензен газов котел. Външното тяло, което включва задвижван с инвертор компресор с коефициент на модулация от приблизително 20 до 100%, предава възобновяемата енергия, извлечена от околния въздух, към вътрешното тяло. Когато има условия за частично натоварване, външният топлообменник е преоразмерен и това повишава ефективността с до 30%. Външното тяло може да бъде поставено в градината, да се монтира на стена или на покрив, на разстояние до 20 м от вътрешното тяло.

Вътрешното тяло се инсталира на стената зад кондензния котел. Освен управлението на системата, то включва и елементите за водната част - разширителния съд, помпата и топлообменника, който се използва за подгряване на водата с помощта на възобновяемата енергия, извлечена от въздуха.

Кондензният газов котел се монтира пред вътрешното тяло. Обикновено общите габарити на котела и вътрешното тяло са еквивалентни на тези на конвенционалните инсталирани на стена котли. Това прави хибридните помпи изключително подходящи за ретрофит приложения.

Приложение и пазар

Хибридните системи са подходящи както за малкомащабни приложения, например за отопление и подгряване на вода за единични жилища, така и за централно отопление и осигуряване на битова гореща вода, или за индустриални процеси.

Проучване на пазарното развитие и бъдещето на хибридните термопомпи показва, че системите с газови котли имат по-висок потенциал за приложение в страни като Обединеното кралство, Холандия и Германия. Трябва да се има предвид, че традиционните решения за жилищния сектор, базирани на изкопаеми горива, се характеризират с ниски първоначални инвестиционни разходи за самото оборудване и монтажа му.

Следователно, за да навлязат широко на пазара, хибридните термопомпи трябва да бъдат оптимизирани така, че да са с конкурентни цени и разходи за експлоатация. Резултатите от пазарното проучване показват също, че четири от петте водещи производители на газови котли в Европа вече предлагат и гама от нови продукти, включваща 20 различни вида хибридни термопомпи.

Ефективност и екологични характеристики

Чрез селективното преминаване от едно на друго гориво хибридната термопомпа може да бъде конфигурирана по такъв начин, че да работи или с минимални разходи, или с най-ниски емисии на въглероден диоксид. Системата може да бъде програмирана така на база комбинацията от тарифите за горивата, коефициента на полезно действие на термопомпата и ефективността на котела.

Ефективността на използване на първичната енергия на хибридните термопомпи варира между 1,2 и 1,5, като за сравнение, в реални условия този показател при кондензните газови котли е от порядъка на 0,9.

Употребата на хибридни термопомпи носи значителни ползи в сравнение с конвенционалните газови котли и термопомпи. Те са устойчиво решение за отопление, тъй като с използването им емисиите на въглероден диоксид може да се редуцират съществено - с до 1,5 тона годишно за битови потребители. Спестяването на емисии на парникови газове обаче зависи силно от енергийния микс на държавата, в която се ползва хибридната система.

Общото количество емисии CO2 еквивалент от отопление на помещения в ЕС възлиза на 750 Mt на година, на база средно потребление на топлинна енергия от 20 000 kWh годишно. Ако конвенционалните топлогенератори бъдат заменени с хибридни термопомпени системи, спестяванията могат да достигнат до 200 Mt CO2 еквивалент годишно. Технологията има потенциал за осигуряване на възможност за постигане на целта за намаляване на емисиите с 25%, тъй като е 250 пъти по-ефективно решение, отколкото внедряването на възобновяеми енергийни източници във всички новопостроени сгради.

Хибридните термопомпи се смятат за правилното решение, не само защото комбинират две от доказано най-добрите технологии по интелигентен начин, но и защото са най-достъпният източник на възобновяема енергия. Около 70 до 80% от получаваната от хибридната термопомпа енергия за отопление се генерират от използването на въздуха като възобновяем източник.

Предизвикателства

Въпреки че технологията вече се предлага на пазара, пред широкото й разпространение все още има няколко предизвикателства. Трябва да бъдат положени усилия в направление разработване на компактни хибридни системи, които да съответстват на размерите на конвенционалните котли. Необходими са и подобрения, целящи по-лесно и бързо интегриране на новата технология във вече съществуващи системи.

Хибридността означава взаимодействие между две допълващи се технологии. Отчитайки това, за да достигнат хибридните помпи пълния си потенциал, приоритетно ще трябва да бъдат разработени усъвършенствани алгоритми за управление и стратегии за автоматизация.

Това ще позволи производството на интелигентни системи, способни да избират горивото и режима си на работа в зависимост от цените и/или коефициента на полезно действие и ефективността. Едно от основните предизвикателства пред хибридните термопомпи е нуждата от постигане на максимална обща ефективност на технологиите, съчетано със свеждане до минимум и на експлоатационните разходи, и на въздействието върху околната среда.

Трябва да се проучат и възможностите за обвързване на хибридните термопомпи с други технологии за възобновяема енергия. Това би довело до подобряване на съотношението производителност/цена, но в същото време ще наложи необходимостта от използване на решение за съхранение на енергия. Успоредно с развитието на системите следва да бъдат разработени и нови стандарти.

Като недостатък на хибридните термопомпи може да се посочи фактът, че те използват хладилен цикъл, което винаги е свързано с риск от изтичане на хладилен агент.

В заключение

може да се обобщи, че хибридните термопомпи могат да бъдат смятани за източника на топлина на бъдещето - екологосъобразен, гъвкав по отношение на сложността на енергийния микс и енергоснабдяването, и същевременно лесен за поддръжка и осигуряващ комфорт за крайните потребители.

Независимо от цените на енергията, изменящите се температури на околната среда и променливите натоварвания на термопомпата, хибридната система избира най-ефективния източник и поддържа постоянно високо ниво на комфорт.