Хибаткызы А., Котов Е.С.
ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ *
Аннотация:
в статье рассматриваются вопросы повышения эффективности систем теплоснабжения за счёт внедрения тепловых насосов. Приведён анализ принципа действия тепловых насосов, их классификация, основные параметры и источники низкопотенциальной теплоты. Освещаются особенности применения тепловых насосов в условиях умеренного климата, рассматриваются схемы подключения и возможные сферы использования в жилищно-коммунальном хозяйстве. Особое внимание уделяется энергоэффективности, экологическим преимуществам и экономической целесообразности замены традиционных систем отопления тепловыми насосами. Обоснована актуальность темы в контексте повышения энергоэффективности зданий и перехода на экологически чистые источники энергии.
Ключевые слова:
тепловой насос, теплоснабжение, энергоэффективность, источник тепла, отопление, тепловая энергия, низкопотенциальное тепло, коэффициент преобразования
На сегодняшний день применение тепловых насосов (ТН) в системах теплоснабжения активно изучается, поскольку они являются перспективной технологией, обеспечивающей высокий коэффициент преобразования энергии. Современные научные исследования охватывают различные аспекты работы тепловых насосов, начиная от теоретических основ их функционирования и заканчивая практическими кейсами внедрения в коммунальном и промышленном секторах.Работа тепловых насосов основана на использовании низкопотенциального тепла окружающей среды с его последующей трансформацией в тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. В классической парокомпрессионной системе (рисунок 1) используется хладагент, который последовательно проходит процессы испарения, сжатия, конденсации и дросселирования [1].Рис. 1. Общая принципиальная схема работы теплового насоса.Исследования, посвященные термодинамическим аспектам работы ТН, активно проводятся в российских и международных научных центрах. Например, работа Калниня и Савицкого (2000) заложила основу для анализа различных циклов тепловых насосов и методов повышения их эффективности [2]. Современные исследования в области повышения коэффициента преобразования включают изучение новых хладагентов, оптимизацию работы компрессоров и разработку многоступенчатых циклов [3].Исследования показывают, что эффективность работы тепловых насосов сильно зависит от климатических условий. В умеренных и тёплых регионах они демонстрируют высокий коэффициент преобразования энергии (3-5), тогда как в северных широтах их работа может осложняться низкими температурами наружного воздуха [4]. В частности, работы российских и казахстанских ученых направлены на адаптацию ТН к суровым климатическим условиям, таким как зимние температуры ниже -25 °C.В исследовании Усенкова и соавторов (2021) была проанализирована работа системы отопления с тепловым насосом в Новгородской области, где среднегодовая температура ниже 5°C [5]. В результате было выявлено, что использование вспомогательных источников нагрева, таких как электродогреватели или газовые котлы, позволяет поддерживать высокую энергоэффективность даже в морозные периоды.Другой подход – это использование грунтовых и водо-водяных тепловых насосов, которые обладают более стабильными показателями производительности в холодном климате. Например, Кузьмин (2022) предложил систему утилизации низкопотенциального тепла сточных вод для нагрева теплоносителя, что позволило компенсировать потери при низких наружных температурах [6].Одним из ключевых направлений исследований является интеграция тепловых насосов в существующую инфраструктуру систем горячего водоснабжения (ГВС) и отопления. Проблема заключается в том, что в старых зданиях большинство систем рассчитаны на работу с высокотемпературными теплоносителями (70-90 °C), тогда как стандартные тепловые насосы эффективны при температуре подачи 50-60 °C [7].Исследования в этой области показывают, что переход на низкотемпературные системы отопления, такие как теплые полы или радиаторы с увеличенной теплоотдачей, существенно повышает эффективность ТН. В экспериментальном проекте, реализованном в Германии в 2020 году, применение низкотемпературного теплоснабжения позволило снизить потребление электроэнергии на 35% при сохранении комфортных условий в зданиях [8].Кроме того, значительное внимание уделяется интеллектуальному управлению тепловыми насосами. Современные системы управления позволяют динамически изменять параметры работы ТН в зависимости от погодных условий и потребления тепла. В 2019 году Максимов (ТПУ) выполнил математическое моделирование работы теплового насоса в многоквартирных домах, что позволило оптимизировать режимы работы оборудования и минимизировать затраты энергии [9].Экономическая эффективность тепловых насосов подтверждена многочисленными исследованиями и практическими проектами. В отчете о внедрении тепловых насосов на промышленных объектах Казахстана (2023) показано, что их применение позволяет сократить затраты на отопление в 2,5-3 раза по сравнению с традиционными газовыми и угольными котельными [10]. В 2016 году исследователи из Казанского государственного энергетического университета провели анализ стоимости тепловой энергии от различных источников и пришли к выводу, что ТН оказываются более выгодными при сроке эксплуатации более 5 лет [11].С точки зрения экологии, тепловые насосы значительно снижают выбросы углекислого газа, поскольку их работа основана на использовании возобновляемых источников тепла. Например, в исследовании Европейской ассоциации по тепловым насосам (EHPA, 2021) отмечено, что массовое внедрение ТН в странах ЕС позволило бы сократить выбросы CO₂ на 50 млн тонн в год [12].Таким образом, вопрос применения тепловых насосов для теплоснабжения и ГВС является активно изучаемой темой. Теоретические исследования охватывают принципы работы, термодинамические процессы и методы повышения эффективности ТН. Практические исследования направлены на изучение их работы в различных климатических условиях, адаптацию к существующей инфраструктуре и разработку экономически обоснованных решений. Несмотря на значительный прогресс, остаются нерешённые задачи, такие как адаптация ТН к экстремально низким температурам, оптимизация их интеграции в централизованные системы теплоснабжения и снижение первоначальных затрат. Дальнейшие исследования в этих направлениях помогут расширить сферу применения тепловых насосов и ускорить их массовое внедрение в городскую и промышленную энергетику.Несмотря на значительный прогресс, остаются вопросы, требующие дальнейшего изучения. Во-первых, необходимо адаптировать тепловые насосы к специфическим климатическим условиям северных регионов. При низких температурах наружного воздуха эффективность ТН типа «воздух-вода» снижается – падает отопительный коэффициент, возможны обмерзания испарителей [3]. Требуются решения для поддержания работоспособности и экономичности оборудования в морозы (например, использование двухступенчатых систем или резервных источников тепла). Во-вторых, интеграция тепловых насосов в существующую инфраструктуру ГВС и отопления сопряжена с техническими трудностями. Имеются проблемы несовместимости с прежним оборудованием, ограниченная пропускная способность электрических сетей и др. Необходимо разрабатывать оптимальные схемы подключения ТН к централизованным и автономным системам, учитывая гидравлические и электрические режимы. В-третьих, высокие первоначальные затраты на приобретение и монтаж тепловых насосов остаются экономическим барьером. Однако расчёты показывают, что за счёт низкой стоимости генерируемого тепла инвестиции окупаются достаточно быстро – экономия может достигать трёхкратной величины по сравнению с традиционными источниками. Научно обоснованное технико-экономическое обоснование проектов с ТН поможет убедить инвесторов и потребителей в выгоде этой технологии. При внедрении водогрейных пунктов с ТН выявляются определённые сложности. Одна из них – необходимость резервирования теплогенерации на пиковые нагрузки и экстремальные морозы. На рисунке 2 представлена типовая схема работы системы теплоснабжения с тепловым насосом типа «воздух-вода». Данная схема включает тепловой насос, являющийся основным источником нагрева. Трехступенчатый алгоритм нагрева воды заключается в первичном нагреве через теплообменники, догрев в моменты пикового потребления, аварийный нагрев при необходимости. Схема наглядно демонстрирует принцип работы системы, эффективность которой достигается за счет комбинированного использования теплового насоса и электродогревателя. Использование такой системы позволяет существенно снизить потребление электроэнергии в сравнении с традиционными бойлерами и другими системами, тем самым обеспечивается стабильность температур ГВС. Другая сложность – поддержание надежности и давления водоснабжения. Для этого на схеме предусмотрена ёмкость-накопитель холодной воды, сглаживающая колебания расхода и служащая запасом на случай аварий. В плане интеграции с электрическими сетями проблему высокой пусковой нагрузки компрессоров решают современные технологии (например, инверторные компрессоры и системы плавного пуска), снижающие ударные нагрузки на сеть. Кроме того, для регионов с очень холодным климатом рассматривается переход к геотермальным и водо-водяным тепловым насосам, которые обладают более стабильной эффективностью (рисунок 2) [3]. Так, Кузьмин С.И. [3] предложил использовать тепло бытовых сточных вод как низкопотенциальный источник для ТН, что обеспечивает высокую термодинамическую эффективность независимо от погоды. Таким образом, комплексный подход – сочетание разных технических решений – позволяет преодолеть основные трудности внедрения. Рис. 2. Типовая схема локального водогрейного пункта с применением ТН.Идея использования тепловых насосов для ГВС не нова и разрабатывалась как в мире, так и на постсоветском пространстве. Ещё в 1980-х годах в СССР проводились эксперименты по применению теплонасосных установок в коммунальном хозяйстве. В последние годы интерес к теме возрос. В 2016 году на базе Казахского национального технического университета был реализован пилотный проект отопления с помощью ТН в учебном корпусе, продемонстрировавший 50% экономию топлива. В 2023 году специалисты КиевЗНИИЭП [13] исследовали особенности применения теплового насоса для горячего водоснабжения в студенческом общежитии. Они отметили необходимость учета суточных графиков потребления и правильно выбранной мощности ТН. Российские ученые также активно публикуются: например, Хакимуллин и Багаутдинов (ИТМО, 2016) обобщили опыт создания и внедрения тепловых насосов в России, указав на успешные кейсы в Татарстане и Башкортостане. В 2019 году Максимов В.И. (ТПУ) [4] выполнил математическое моделирование теплопереноса в геотермальных теплонасосных системах, заложив научные основы расчета установки в условиях обледенения испарителя. Таким образом, накоплен значительный фонд исследований, выполнявшихся в разные годы в вузах и научных центрах (НовГУ, КазНИТУ, ТПУ, НИИСФ и др.) [14], что позволяет опираться на их результаты при разработке новых решений.Анализ показал, что внедрение водогрейных пунктов с применением тепловых насосов является перспективным направлением, способным решить проблему эффективного и устойчивого горячего водоснабжения. Тепловые насосы позволяют существенно повысить энергетическую эффективность: за счет использования возобновляемого тепла окружающей среды они генерируют в 3–4 раза больше энергии, чем потребляют. В сравнении с традиционными котельными установка ТН снижает операционные расходы и практически устраняет прямые выбросы загрязняющих веществ. Особо актуально это для Казахстана, где переход к «зеленой» экономике поддерживается на государственном уровне. Проведенные исследования и пилотные проекты (Степногорск, Нур-Султан и др.) подтверждают достижимость заявленных экономических показателей – себестоимость тепла снижается до нескольких раз, а вложения окупаются за 4-7 лет.Перспективы внедрения водогрейных пунктов с тепловыми насосами весьма позитивны. В ближайшем будущем ожидается рост числа объектов, оборудованных такими системами, особенно в удалённых районах и новых застройках, где подведение централизованных сетей затруднено. Совершенствование технологий (новые хладагенты, более эффективные компрессоры, интеллектуальное управление) будет способствовать повышению надежности и эффективности тепловых насосов даже в экстремальных условиях. Дальнейшая поддержка со стороны государства – льготное кредитование, субсидии на оборудование, обновление нормативной базы – ускорит распространение этих решений. Таким образом, водогрейные пункты на базе тепловых насосов имеют все шансы стать стандартом при модернизации систем горячего водоснабжения, обеспечивая комфорт потребителей при минимальных затратах и без ущерба для окружающей среды.
Номер журнала Вестник науки №12 (93) том 3
Ссылка для цитирования:
Хибаткызы А., Котов Е.С. ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ // Вестник науки №12 (93) том 3. С. 2124 - 2134. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/27746 (дата обращения: 09.02.2026 г.)
Вестник науки © 2025. 16+