Tермопомпите

От маломерни до мегаватови възможности

Макар че първата термопомпа е създадена още в далечната 1855 година, едва сега, в началото на третото хилядолетие, технологията започва да получава действителното си признание. Тя е способна да осигурява и отопление, и охлаждане – в един-единствен, енергийно ефективен модул. През последните години стремежът към опазване на климата и промените в цените на горивата подтикнаха мнозина да се заинтересуват от тази технологията. 

Текст: списание Строители

Термопомпените системи играят важна роля в сградния сектор, осигурявайки енергийно ефективно и екологично решение за отопление, охлаждане и подгряване на вода. Технологията на термопомпите се основава на принципа на прехвърляне на топлина от един източник към друг, вместо да произвежда топлина чрез изгаряне на горива. Това ги прави изключително ефективни от гледна точка на потреблението на енергия, тъй като използват много по-малко електроенергия в сравнение с традиционните методи за отопление.

Глобалните продажби на термопомпи са нарастнали с повече от 10% през последните години, според анализи на Международната агенция по енергетика. Особено интересни са данните за Европа, където термопомпите отбелязват рекорден ръст с близо 40%. По-специално моделите „въздух-вода“, които са съвместими с типичните радиатори и системите за подово отопление, са нараснали с почти 50% в Европа, според данните на МАЕ. Подобни са наблюденията и на Европейската асоциация за термопомпи. Според нейните данни, за 2022 година налице е ръст от 39%, който е по-висок от отчетените 34% растеж през предходната година. На някои места интересът е особено силно изразен. В Германия например продажбите на термопомпи са се увеличили с 53%. Като фаворит се очертава Полша, където ръстът на пазара е скочил с цели 120%. 

Анализаторите са предпазливи и предвещават, че занапред пазарът ще расте средно с по около 9% през идните няколко години. Такава е оценката на Grand View Research (9,3% за периода от 2023 до 2030г.) и на Markets-and-Markets (9,5% от 2021 до 2026г.). Тази прогноза обаче може и да бъде надмината. Ето, че само през първото тримесечие на 2024г. в Германия продажбите са се увеличили с цели 111% в сравнение със същия период на миналата година. Освен това тепърва технологията ще набира популярност из Източна Европа, където, според анализаторите, тя е не особено добре разпозната до този момент. 

Технологични иновации 

Едно от най-забележителните технологични постижения в технологията на термопомпата е навлизането на компресорите с променлива скорост. Традиционните термопомпи работят с постоянна скорост, независимо от нуждата от отопление или охлаждане. Това често води до прахосване на енергия и до ненужно износване на системата. Компресорите с променлива скорост регулират скоростта си въз основа на текущото търсене. Това води до значителни икономии на енергия и подобрена дълготрайност на системата.

Компресорите с променлива скорост (понякога наричани компресори с променлива честота или регулирана скорост) използват интелигентна система за задвижване, за да променят непрекъснато скоростта на двигателя. Оборотите на уреда се увеличават или намаляват в зависимост от търсенето. Това означава промяна на количеството мощност, което се използва, за да може отоплението/охлаждането да съответства перфектно на изискванията. На свой ред това влияе на енергийната консумация. 

В допълнение към компресорите с променлива скорост, термопомпените системи вече включват и усъвършенствани топлообменници. Те са проектирани да извличат повече топлина/хладина от обкръжаващата среда, дори при изключително екстремни условия. Подобрените топлообменници правят термопомпите по-ефективни и надеждни, дори в климатични условия, където преди са били смятани за неподходящи.

Интегрирането на т. нар. интелигентни технологии в термопомпените системи е друга промяна, която е на ход в момента. Тя революционизира начина, по който потребителите взаимодействат с тези устройства. Имайки Wi-Fi свързаност и интелигентни термостати, термопомпите вече могат да се контролират дистанционно, използвайки смартфони или таблети, стига да е налице интернет връзка. Това осигурява голямо удобство. Отдалеченият контрол позволява по-прецизно настройване на температурата, което означава повече енергийна ефективност. 

Очаква се бумът на 5G технологията да ускори този процес. Петото поколение безжични комуникации предлагат безпрецедентна скорост и надеждност на връзката, което прави възможно дистанционното управление на устройствата в реално време. Този технологичен скок ще позволи термопомпите да се контролират още по-ефективно. Би трябвало това да означава значителни икономии на енергия и намалени въглеродни емисии.

Интегрирането на 5G технологията в термопомпите ще даде възможност за събиране, натрупване и анализ на много данни в реално време. Това ще позволи т. нар. предсказуема поддръжка. При нея потенциалните проблеми могат да бъдат идентифицирани отрано, за да бъдат предприети действия по поддръжка, преди възникването на значителни проблеми. Това не само гарантира непрекъснатост на комфорта, но и удължава живота на термопомпата, а също така намалява разходите, свързани с неочаквани повреди и ремонти.

Вграждането на елементи на изкуствен интелект ще се развива в паралел с навлизането на 5G технологията при интелигентните термопомпи. Тези усъвършенствани системи ще могат да се самообучават от навиците и предпочитанията на потребителите. Така те ще са в състояние сами да регулират нивата на отопление и охлаждане, без човешка намеса. Подобно ниво на персонализация ще осигури оптимален комфорт, като същевременно минимизира консумацията на енергия.

Нови, екологични хладилни агенти

Друг значителен елемент на напредък в термопомпените системи е използването на екологични хладилни агенти. Традиционните термопомпи използват течности, които допринасят значително за глобалното затопляне, ако изтекат в атмосферата. По-новите модели обаче използват хладилни агенти с все по-нисък потенциал за глобално затопляне, което ги прави по-екологичен избор. 

Оценяването на екологични ефект на хладилните агенти всъщност е доста сложно, поради което на пазара има множество различни предложения. Екологичното въздействие на тези флуиди се измерва основно с два показателя: ODP (потенциал за унищожаване на озона) и GWP (потенциал за ускоряване на глобалното затопляне). Тези параметри обаче не могат да се разглеждат самостоятелно. Някои хладилни агенти, макар да имат по-високи показатели за глобално затопляне, позволяват на термопомпите да работят с много по-малко енергия, което косвено намалява вредата върху околната среда. Така може да се окаже, че хладилен агент с по-високо GWP е в крайна сметка по-екологичен от такъв с по-високо GWP, просто защото емисиите в рамките на целия жизнен цикъл на термопомпата са по-малки. 

Интересно е, че като хладилни агенти все по-често се използват добре познатите въглеводороди пропан и бутан. Те нямат въздействие върху озоновото покритие и имат „пренебрежимо слабо“ влияние върху глобалното затопляне. От друга страна обаче са много запалими и това пък води след себе си нови предизвикателства за производителите. Някои производители пък предпочитат да използват амоняк, за да направят своите термопомпи по-ефективни.

Термопомпи с два източника 

Новост в развитието на термопомпите е използването на два източника на термална енергия. Подобна машина може едновременно да абсорбира топлина от околния въздух и да оползотворява отпадъчна топлина от даден източник. Това означава още по-добър коефициент на полезно действие и намаляване на сметките за отопление. Комбинирането на различни източници на топлинна енергия е съществена перспектива, като се има предвид голямото количество отпадъчна топлина, която редица индустрии изхвърлят във въздуха – пропиляна енергия. Така например големите центрове за данни, които постоянно търсят начини да охлаждат сървърите си, биха могли да подават излишната топлина от своите охладителни системи към термопомпа с два източника. Това прави възможно жегата от промишлените съоръжения да се използва за топлофикационни мрежи. За крайните потребители това би означавало по-ниски цени за топлинната енергия. 

Соларни термопомпи 

Преминаването към възобновяеми енергийни източници повлия на развитието на термопомпената технология и в друга посока. Захранваните със слънчева енергия термопомпи вече са реалност. Те използват силата на слънцето, за да предоставят отопление и охлаждане. Подобни системи са не само енергийно ефективни, но и спомагат за намаляване на зависимостта от изкопаеми горива, като допринасят за по-устойчиво ежедневие. Точно тогава, когато най-много имаме нужда от охлаждане – в дългите летни дни, когато слънцето пече – фотоволтаиците произвеждат най-големи количества нулевоемисионна електроенергия. С други думи комбинирането на фотоволтаика и термопомпи е „близко до акъла“ решение.

Вече има и официални данни за ползите от подобно съчетание. През 2022 г. европейските домакинства с фотоволтаични панели и термопомпи са спестили от 62% до 84% от сметките си за енергия в сравнение с домовете без собствена слънчева енергия и използващи природен газ за отопление, по данни на SolarPower Europe. Докладът „Solar Powers Heat 2023“ разглежда жилищния сектор и се фокусира върху три нови технологии: слънчеви фотоволтаични панели, термопомпи и комбинация от слънчеви фотоволтаични клетки плюс термопомпи. Анализът сочи, че средноголемите жилища със соларни панели отчитат значително спестяване от сметките за ток за 2022 година – до 64%. Ала още по-добри са резултатите при използването и на термопомпа: до 84% спестяване. 

При това положение има основание да се очаква доста бързо изплащане на инвестицията. Потвърждават го малкото налични данни. Времето за възвръщане на инвестицията в комбинация от фотоволтаици и термопомпа е кратко, според проучване, проведено в Китай. Ако термопомпата е свързана към фотоволтаична система с мощност 5kW - и ако се използва домашна батерия от порядъка на 8kWh – то слънчевият масив може да покрие около половината от общото електрическо натоварване на домакинството за цялата година. Това означава доста бързо изплащане на вложените пари. 

Хибридизация 

Развитието на хибридни термопомпени системи представлява значителна тенденция в развитието на технологията. Хибридните системи комбинират термопомпите с други, „традиционни“ източници на топлинна енергия. Това може да бъде котел, работещ с изкопаемо гориво – газ, петрол) или пък електрическа печка. 

Появата на подобна комбинация е свързана с нуждата от топлинен комфорт в климатичните зони, където е типично да има неголям брой дни с екстремно ниски температури през зимата. Когато температурите спаднат и термопомпата не може да работи достатъчно ефективно, котелът осигурява допълнително подгряване. 

Комбинирането може да се автоматизира благодарение на съвременните смарт-устройства и термостати. Това означава оптимален комфорт и ефективност, независимо от атмосферните условия – присъща характеристика на съвременния „интлигентен“ дом.

Термопомпи, използващи акустична енергия

Възможни ли са термопомпени системи, които да използват звукова енергия? Това е един нов и иновативен тип термопомпа, задаваща се на хоризонта. Тя използва термоакустична енергия, която преобразува силата на звуковите вълни в топлина или студ. Акустичната термопомпа компресира или разширява звуковите вълни с висока мощност, за да произведе желаната температура. Действието изисква много малко енергия и докато звуковите вълни се разширяват и свиват, генерираното движение е подобно на това на бутало в традиционен двигател, само че без механичните движещи се части. Възможно е термоакустичните помпи да се използват при повечето температури и климат, казват техните създатели. Самите устройства се правят от 100% рециклируеми материали и са проектирани за изключително ниска поддръжка. Очакваната продължителност на живота им е до 30 години. Подобни устройства ще са лесни за инсталиране от собствениците, без да изискват специални технически умения. Елиминирането на хладилни агенти с парникови газове, съчетано с минимални нужди от поддръжка, допринася за ефективността на новата помпа, което допълнително намалява дългосрочните инвестиционни разходи.

Големите термопомпи 

Едновременно с технологичния напредък на термопомпите нараства и мащабът на съоръженията. Освен за къщи и за малки жилищни кооперации, вече се работи и по въвеждането на по-големи термопомпи – такива, които могат да захранват цяло предприятие, голяма жилищна цяла сграда, дори цял квартал или малко градче.  Тези гигантски термопомпи представляват интерес за големи фирми, за собственици на бизнес-паркове и жилищни комплекси, за топлофикационни дружества и градски власти. Става дума за мегаватови съоръжения, работещи с огромни капацитети. За илюстрация, една „топлофикационна“ термопомпа може да подгрее водата в олимпийски басейн за около 4 часа до температура 20 градуса – или пък да я замрази за има - няма 11 часа!.

Наблюдава се разгорещяване на конкуренцията между големите производители са изграждането на мегаватови термопомпи, защото вече не само отделните домакинства и фирми искат енергийно ефективно отопление и охлаждане. Градските власти, които са си поставили за задача да постигнат дадени еко-цели, се ориентират към този вид топлофииране за своите квартали и градове. Като следствие, комуналните компании все повече признават термопомпите като критична технология за декарбонизация на топлината. Те търсят мегаватови системи, за да обслужват едновременно множество потребители, а това на свой ред ще даде тласък на търсенето на големи термопомпи в още повече сектори.  Една голяма термопомопа може да е с мощност от порядъка на 50 до няколкостотин мегавата. Тя е способна да отоплява стотици домове и да подгрява водата за обитателите им. 

Като неформален лидер в развитието на термопомпената технология Европа може да даде пример с поне няколко града. Голяма термопомпа с капацитет 60MW работи в градчето Есбьерг в Дания. Машината поема топлина от морската вода. Захранва 27000 къщи с топла вода и отопление. Подобна система се изгражда в Хамбург, също с капацитет 60MW. Виена е планирала свой аналог - 55MW система, при която топлината ще се добива от обработката на отпадъчни води с температура около 6 градуса. Водата ще преминава през системата на термопомпа, като ще вдига градусите до 90оC и ще топли 56 хиляди домакинства. 

Но тези образци могат се разглеждат само като „стартова точка“ в надпреварата в производството на гигантските топлофикационни термопомпи. Модели с доста по-голям капацитет са вече в радара на вниманието на ютилити компаниите и градските власти. Например, 120MW термопомпа ще започне работа за отоплението за индустриалните зони в градчето Лидвигшафен. В Стокхолм в Швеция пък има термопомпа, която се слави като най-голямата действаща в света: с капацитет 215MW. И ако това изглежда много, то какво може да се каже за финландската столица Хезинки, където се готвят да поставят рекорд за градска термопомпа с капацитет 500MW. 

Факт е, че някои от тези мултимегаватови съоръжения де факто се състоят от няколко взаимосвързани термопомпи. Така например в Стокхолм системата представлява сбор от общо 7 термопомпи: две по 40MW и пет по 27MW. В Гьотенбург пък има 160MW термопомпа, която се състои от четири устройства, две от които са с капацитет от 50MW.

Интересът към топлофикационните термопомпи и захранването на топлофикационните мрежи идва от това, че се декарбонизират много жилища наведнъж. В квартали и градове, в които и без друго имат топлофикационна мрежа, въглищните и газовите генератори постепенно отстъпват пред екологични източници на отопление и охлаждане, оставайки евентуално като резервен вариант за случаи на екстремно време.

На фона на всичко това в Обединеното кралство местна топлофикационна фирма вече е почти готова с изграждането на това, което се описва като „най-голямата топлофикационна мрежа с минна вода във Великобритания и една от най-големите в Европа“. Това именно е забележителното в системата: тя използва топла вода от обширна мрежа от стара въгледобивна инфраструктура на 150 метра под градчето Гейтсхед, за да доставя топлина и битова гореща вода за домове, предприятия и обществени сгради.