Повышение энергоэффективности систем отопления.
Андреас Люке
Проиллюстрируем значимость отопления и ГВС, рассмотрев энергопотребление в Германии (рис. 1). Общее годовое энергопотребление Германии оценивается в 2 500 ТВт•ч, при этом на отопление и ГВС расходуется 800 ТВт•ч. Две трети этой энергии вырабатывается из природного газа, одна треть которого импортируется из России. На электропотребление приходится всего 521 ТВт•ч.
Даже в такой процветающей стране, как Германия, только треть из 21 млн отопительных систем являются действительно современными и обладают высоким КПД (рис. 2). Ситуация не лучше, если рассмотреть Европу в целом. Из примерно 125 млн установленных отопительных систем только около 40 % можно назвать современными и эффективными (рис. 3).
Очевидно, что амбициозные цели в области защиты климата, предусмотренные Парижским соглашением (см. *)), не могут быть достигнуты без систематической и быстрой модернизации устаревших систем отопления.
Каждый год в Европе продается почти 5 млн теплогенерирующих аппаратов. В 2018 году Ассоциация европейской отопительной промышленности (Association of the European Heating Industry – EHI) спрогнозировала рост рынка на 5,5 %, измеряемый количеством проданных единиц. Драйвером этого роста стала технология конденсационных газовых котлов (рост составил 5,8 % и в общей сложности 4 378 400 ед.).
Продажа тепловых насосов была очень динамичной, с ростом почти на 13 %, но общее число проданных приборов (371 600 шт.) до сих пор значительно ниже, чем количество продаваемых конденсационных установок. Установки на твердом топливе и мазуте занимают незначительную долю рынка и используются в основном в Германии, Бельгии и Франции.
Интересной темой, имеющей первостепенное значение для дискуссии в России, станет история успеха технологий конденсационных газовых котлов.
В 2015 году ЕС ввел схему энергетической маркировки (рис. 4).
С сентября 2015 года в ЕС могут продаваться только теплогенераторы класса А, но есть некоторые исключения. Там, где нельзя использовать технологию конденсационных установок (например, в системах теплого пола), по-прежнему могут использоваться традиционные конвекционные устройства.
Директива ЕС по экопроектированию ECO ErP (Директива 2009/125/EC) и введение маркировки энергоэффективности уже совершили революцию. Это подтверждает развитие рынка в секторе отопления в Европе с 2005 по 2018 год (рис. 5). Значительный рост продаж конденсационных установок показывает, что такие рынки во Франции, Италии и Испании радикально изменились и уже перестроились с конвекционных установок на конденсационные.
Ключевая особенность технологии конденсационных котлов заключается в том, что КПД конденсационных установок примерно на 15–20 % выше, чем конвекционных. Установка конденсационных котлов вместо конвекционных обеспечивает высокий уровень энергосбережения и значительное сокращение выбросов CO2 при минимальных дополнительных затратах.
Очевидно, что подобные изменения ждут и рынок теплогенераторов в России. Скорость изменений будет во многом зависеть от законодательных инициатив, направленных на повышение энергетической эффективности и снижение выброса парниковых газов.
Еще одним хорошим примером изменений на рынке теплогенерирующих аппаратов может послужить Китай, который стремительно переходит на природный газ в секторе отопления. Региональные нормативные акты многих провинций в обязательном порядке предписывают применение именно конденсационных установок для объектов нового строительства, в связи с чем можно предположить, что уже в ближайшем будущем технология конденсационных котлов полностью вытеснит с рынка технологию конвекционных котлов.
Интересна и динамика ЕС по продажам тепловых насосов. Данная статистика относится к воздушно-водяным тепловым насосам и геотермальным системам – довольно дорогим даже для европейского рынка устройствам. В основном они применяются при строительстве новых индивидуальных жилых домов (в некоторых странах доля рынка тепловых насосов в этом сегменте доходит до 80 %). Новые технологии, такие как инверторные компрессоры, позволяют увеличить КПД тепловых насосов и обеспечить более высокую температуру теплоносителя, что обеспечит рост их доли рынка и при модернизации существующих систем.
Конденсационные котлы
Анализ рынка показывает, что на сегодняшний день конденсационные котлы являются доминирующей технологией с долей рынка около 80 %. Технология конденсационных котлов хорошо изучена, отработана на практике и доказала свою надежность. Конденсационные котлы отлично совмещаются с современными энергосберегающими технологиями в гибридных системах отопления (за исключением, пожалуй, лишь солнечных коллекторов).
Гибридные системы отопления
Под гибридными системами мы понимаем совмещение конденсационной установки и, например, теплового насоса, который покрывает потребности в отоплении и ГВС 10 месяцев в году, при этом потребляя электроэнергию от возобновляемых источников (ВИЭ: ветрогенераторы, фотоэлектрические модули). В оставшиеся два месяца, когда наружная температура слишком низкая, а энергии солнца и ветра не хватает для выработки достаточного количества электроэнергии, нагрузка по отоплению и ГВС покрывается конденсационным котлом.
Внедрение продвинутой системы автоматизации для таких систем позволяет оптимизировать энергопотребление. Если система постоянно отслеживает уровень генерации электроэнергии от возобновляемых источников энергии и соотносит стоимость электроэнергии от внешних сетей по тарифной ставке со стоимостью природного газа, то пользователь в каждый конкретный момент будет получать тепловую энергию с минимальными затратами и способствовать экономии первичной энергии и снижению выбросов парниковых газов.
Стоит отметить, что экономический эффект от применения подобного рода гибридных установок во многом зависит от политики государства в сфере тарификации электроэнергии и поддержки рынка электроэнергии от возобновляемых источников.
Топливные элементы
Технология теплогенераторов на топливных элементах (fuel cells) сегодня уже доступна на рынке. В качестве топлива в таких устройствах используется природный газ, который в секции топливного процессора преобразуется в водород. Далее водород вступает в контакт с кислородом, и в процессе электрохимической реакции устройство вырабатывает тепловую энергию и электроэнергию (рис. 6). В теплогенераторах на топливных элементах отсутствуют подвижные части и механические процессы. Данная технология весьма перспективна и, безусловно, экологична.
Уже сейчас на рынке есть приборы, вырабатывающие 750 Вт электроэнергии и столько же тепловой. Такие приборы могут большую часть года покрывать потребности частного дома в отоплении, а установка дополнительного конденсационного котла позволит получить достаточную мощность системы отопления в период пиковых нагрузок. Есть и модели, предназначенные для коммерческих зданий, вырабатывающие больший процент электричества, чем тепловой энергии.
Продажа теплогенераторов на топливных элементах активно субсидируется правительством Германии, и на сегодняшний день объем рынка составляет около 4 000 устройств в год. В сочетании с конденсационными котлами теплогенераторы на топливных элементах отлично подходят и для проектов нового строительства, и для проектов по модернизации зданий.
Европейская комиссия и Европарламент прекрасно осведомлены о том, что, по сути, в европейских странах еще даже не начиналось полноценное использование имеющегося потенциала в области повышения энергетической эффективности. Амбициозные обязательства по снижению выбросов парниковых газов неминуемо ускорят процесс энергетической модернизации в Европе.
Три из разработанных и принятых директив ЕС направлены в том числе и на развитие рынка отопления.
Директива об энергетической эффективности зданий (Energy Performance of Buildings Directive (EU) 2018/844 – EPBD)
Третья версия Директивы EPBD была опубликована в «Официальном журнале ЕС» (Official Journal of the EU) в 2018 году. Директива устанавливает требования к энергетической эффективности новых и реконструируемых зданий на период до 2050 года и оговаривает общие требования к национальным стратегиям энергетической эффективности стран участников.
Помимо прочего, Директива EPBD требует устанавливать саморегулируемые устройства для контроля температуры в помещении на всех объектах нового строительства и при модернизации теплогенераторов в модернизируемых зданиях.
Согласно ст. 8 данного документа собственник при новом строительстве или реновации инженерных систем обязан представлять в контролирующие органы проект по энергоэффективности системы отопления. Помимо этого, данная статья предписывает обязательное применение систем автоматизации и диспетчеризации для всех энергопотреб-ляющих устройств и теплогенератора в проектах нового строительства. Такие системы позволяют дополнительно экономить до 15 % энергопотребления, отслеживая и контролируя все энергопотребляющие и энергогенерирующие устройства в доме.
Директива по энергоэффективности (The Energy Efficiency Directive – EED) касается эффективности сектора первичной энергетики стран ЕС и декларирует повышение энергоэффективности на 32,5 % к 2030 году. При этом коэффициент первичной энергии для электричества (primary energy factor for electricity – PEF) должен снизиться с текущего показателя 2,5 до значения 2,1, причем не в последнюю очередь за счет увеличения выработки электроэнергии из ВИЭ.
Директива по возобновляемым источникам энергии (Renewable Energy Directive – RED) требует от стран – членов ЕС покрывать до 32 % энергопотребления систем отопления энергией от возобновляемых источников (тепловые насосы, фотоэлектрические модули, солнечные коллекторы, биомасса).
Подводя итоги, можно констатировать, что после многих лет относительного бездействия в вопросах защиты климата и энергоэффективности Европейский союз наконец-то ускоряется и начинает использовать имеющийся огромный потенциал для повышения энергетической эффективности. Многие из технологических наработок, которые в настоящее время применяются на практике в Европе, могут использоваться и в Российской Федерации. Чем больше и чаще такие технологии будут внедряться в ЕС и РФ, тем эффективнее будет использоваться дорогой российский газ.
Статья перепечатана из журнала "Энергосбережение" №2-2019.●
Европейский союз и все государства, входящие в его состав, ратифицировали Парижское соглашение о климате 2015 года. Все страны, подписавшие данный документ, в том числе и Российская Федерация (решение о ратификации будет рассматриваться в первом квартале 2019 года), взяли на себя амбициозные обязательства по снижению выбросов парниковых газов (СО2, метанола и других веществ, опасных для климата нашей планеты) к 2050 году. По ряду парниковых газов снижение от уровня 1990 года должно составить до 95 %!
