ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ «ВОЗДУХ–ВОДА» ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты разработки гибридной системы теплоснабжения индивидуального жилого дома в резко континентальном климате Забайкалья (г. Чита). На основе метода бин-часов (EN 14825) с учётом поправочных коэффициентов на оттайку и инверторную модуляцию рассчитан сезонный коэффициент преобразования (SCOP) теплового насоса «воздух–вода» Hisense AHM-080H. Для низкотемпературного режима (теплые полы, 35 °C) получено SCOP = 3,36, для радиаторного (55 °C) – 1,84. Предложена гибридная схема: два тепловых насоса (2×8 кВт), буферный бак 500 л, резервный электрокотёл 12 кВт. Технико-экономический анализ показал срок окупаемости 8 лет, годовую экономию 178,6 тыс. руб., снижение выбросов CO₂ на 64 % по сравнению с угольной котельной. Разработан алгоритм прогнозного управления (MPC) для дополнительной экономии 10–12 %.*

Ключевые слова: тепловой насос «воздух–вода», холодный климат, Забайкалье, метод бин-часов, SCOP, гибридная система, технико-экономический анализ, выбросы CO₂.

Введение

Забайкальский край характеризуется резко континентальным климатом с продолжительным отопительным периодом (240 суток) и экстремально низкими температурами (расчётная температура наиболее холодной пятидневки –37 °C, абсолютный минимум –49 °C). Традиционное теплоснабжение индивидуальных домов базируется на угольных котлах или прямом электронагреве, что приводит к высоким эксплуатационным расходам и значительным выбросам парниковых газов [1].

Современные тепловые насосы (ТН) типа «воздух–вода» с технологией двухфазного впрыска (EVI) и инверторными компрессорами успешно эксплуатируются в странах Северной Европы, Канаде и Китае [2–4]. Однако для условий Забайкалья отсутствуют адаптированные методики проектирования гибридных систем, учитывающие реальное распределение температур, сезонный коэффициент преобразования (SCOP) и экономическую эффективность. Цель настоящей работы – разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору параметров и режимов эксплуатации ТН «воздух–вода» для энергоэффективного теплоснабжения индивидуального дома в г. Чите.

Методы исследования

Объект-прототип – двухэтажный жилой дом в г. Чита площадью 256 м², расчётные теплопотери при –37 °C составляют 24 кВт, удельная тепловая характеристика – 93,75 Вт/м².

Расчёт SCOP. Использован метод бин-часов согласно стандарту EN 14825:2018. Исходные климатические данные (распределение температур по часам) получены из СП 131.13330.2025 и базы ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» за период 1991–2024 гг. (метеостанция «Чита»). Отопительный период – 5760 часов. Зависимость COP от температуры наружного воздуха определена линейной интерполяцией паспортных данных теплового насоса Hisense AHM-080H (хладагент R32): COP(+7/35°C)=4,90; COP(–7/35°C)=3,14; COP(+7/55°C)=3,00; COP(–7/55°C)=1,97. В расчёт введены поправочные коэффициенты: на оттайку (f_defrost = 0,92…1,00) по данным производителя и на инверторную модуляцию K_inv = 1,10 (согласно EN 14825). Резервный электрокотёл включается при T ≤ –22 °C; эти часы исключены из знаменателя SCOP.

Гидравлическое моделирование выполнено с использованием уравнений Дарси–Вейсбаха и местных сопротивлений. Технико-экономический анализ проведён по показателям NPV, IRR, дисконтированный срок окупаемости при горизонте 20 лет и ставке дисконтирования 12 %. Экологическая оценка базируется на коэффициенте эмиссии энергосистемы Забайкальского края (0,45 кг CO₂/кВт·ч).

Результаты и их обсуждение

Климатический профиль и SCOP

Распределение часов отопительного периода по температурным интервалам представлено в табл. 1. Суммарное время работы ТН (без учёта 200 часов при T < – 25 °C) – 5100 часов.

Таблица 1.

Расчёт SCOP для низкотемпературного режима (W35, теплые полы)

Суммарная взвешенная величина Σ(COP_corr·hᵢ) = 17 132.

SCOP = 17 132 / 5100 = 3,36.

Для высокотемпературного режима (W55) SCOP = 1,84, что подтверждает нецелесообразность использования радиаторов с ТН в холодном климате. Точка бивалентности определена на уровне –22 °C, доля покрытия годовой тепловой нагрузки тепловым насосом составляет 91,2 %.

Гибридная система и подбор оборудования

На основе анализа гидравлических стандартов (WPSM, BWP) предложена последовательно-параллельная схема включения буферной ёмкости.

Рисунок 1. Принципиальная гидравлическая схема

Основные компоненты представленные на рис. 1: два тепловых насоса Hisense AHM-080H (сплит-исполнение, гидромодуль внутри помещения); бак-аккумулятор 500 л (гидравлическая стрелка + теплоаккумулятор); резервный электрокотёл 12 кВт (включение при T < –25 °C или аварии). Гидравлический расчёт показал, что встроенные насосы ТН (напор 7,6 м, номинальный расход 1,38 м³/ч) обеспечивают требуемый расход при суммарных потерях 0,58 м вод. ст. Требуется установка балансировочных клапанов.

Технико-экономический анализ

Годовая тепловая нагрузка объекта – 54 200 кВт·ч. Доля покрытия ТН – 91,2 % (49 430 кВт·ч), электрокотлом – 8,8 % (4 770 кВт·ч).

Электропотребление ТН при SCOP = 3,36: 49 430 / 3,36 = 14 711 кВт·ч.

Электропотребление котла: 4 770 / 0,98 = 4 867 кВт·ч.

Суммарное электропотребление: 19 578 кВт·ч.

При тарифе 5,0 руб./кВт·ч годовые затраты – 97,9 тыс. руб.

Базовый вариант (прямой электронагрев): 54 200 / 0,98 × 5,0 = 276,5 тыс. руб./год.

Годовая экономия – 178,6 тыс. руб.

Капитальные затраты (CAPEX) для варианта с двумя ТН представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Структура CAPEX (вариант «2 ТН», тыс. руб.)

Экономические показатели (горизонт 20 лет, r = 12 %):

• NPV = –90 тыс. руб. (при росте тарифов 5 % становится положительным на 8-м году);
• IRR = 11,0 %;
• простой срок окупаемости – 8 лет;
• дисконтированный срок – ≈9,5 лет.

Альтернативные конфигурации (3 ТН, 4 ТН, 4 ТН+ВИЭ) дают более низкие IRR (7,4 %, 5,2 %, 2,6 % соответственно). Интеграция PVT-панелей (20 м²) приводит к сроку окупаемости >30 лет, что экономически нецелесообразно без субсидий.

Экологическая эффективность

Выбросы CO₂ для традиционной угольной котельной: 54 200 × 0,45 = 24 390 кг/год.

Для гибридной системы (без PVT): 19 578 × 0,45 = 8 810 кг/год.

Снижение – 64 %. При интеграции ВИЭ снижение достигает 72 %.

Дополнительно исключаются выбросы твёрдых частиц, SO₂, NOₓ и бенз(а)пирена на месте эксплуатации. Риски утечек хладагента R32 (GWP=675) минимизируются детекторами и регламентным обслуживанием; среднегодовой выброс от утечек на порядок меньше экономии CO₂.

Алгоритм прогнозного управления (MPC)

Для повышения эффективности предложен контроллер с модельным прогнозированием (MPC) на базе Wiren Board 7. Алгоритм использует 24-часовой прогноз температуры и инсоляции (API OpenWeatherMap), а также ночной дифференцированный тариф. Целевая функция – минимизация стоимости потреблённой электроэнергии при соблюдении теплового комфорта (T_комн = 22±1 °C). Ожидаемое дополнительное снижение эксплуатационных затрат – 10–12 % по сравнению с классическим погодозависимым управлением.

Заключение

1. Для климатических условий г. Читы (резко континентальный климат, отопительный период 5760 часов, 200 часов ниже –25 °C) тепловой насос «воздух–вода» Hisense AHM-080H с технологией EVI и хладагентом R32 обеспечивает SCOP = 3,36 в низкотемпературном режиме (35 °C). Полученное значение верифицировано методом бин-часов и согласуется с мировыми данными для холодного климата.
2. Оптимальная гибридная конфигурация для дома 256 м²: два ТН по 8 кВт, буферный бак 500 л, резервный электрокотёл 12 кВт. Доля покрытия тепловой нагрузки ТН – 91,2 %.
3. Технико-экономический анализ показал: CAPEX = 1 424 тыс. руб., годовая экономия 178,6 тыс. руб., простой срок окупаемости 8 лет, IRR = 11,0 %. Проект целесообразен для частных инвестиций при льготном кредитовании или с учётом роста тарифов.
4. Экологический эффект – снижение выбросов CO₂ на 64 % (с 24,4 до 8,8 т/год) по сравнению с угольной котельной, полное исключение локальных выбросов сажи и токсичных газов.
5. Внедрение MPC-управления позволяет дополнительно сократить энергозатраты на 10–12 %.
6. Интеграция PVT-панелей без государственных субсидий экономически нецелесообразна (окупаемость >30 лет).

Список литературы:

1. СП 131.13330.2025 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология». — М.: Минстрой России, 2025.
2. Guidehouse Insights. Residential Heat Pumps in Cold Climates: Shipments and Revenue Estimates. – 2024.
3. Ju Y., Hu X., Jokisalo J. et al. Cost-optimal dimensioning of hybrid heat pump systems utilizing waste heat from hydrogen production for a kindergarten in cold climate // Applied Energy. – 2025. – Vol. 358. – DOI: 10.1016/j.apenergy.2025.114042.
4. Zhang L., Jing W., Wang Q., Zhang J., Yang P. Energy and emission performance of enhanced vapor injection air source heat pump system using low global warming potential refrigerants in different climate regions // Frontiers in Energy Research. – 2023. – Vol. 11. – DOI: 10.3389/fenrg.2023.1297866.
5. Bellinkx V., Gijsbregts S., Verleyen L., Helsen L. Smart Controllers Enable Innovative and Sustainable Residential Thermal Network Design and Operation // HPT Magazine. – 2025. – Vol. 43, No. 2.
6. Chen J., Zhang W. Dynamic simulation of heat pump defrosting cycles using buffer tank thermal storage // Energy and Buildings. – 2024. – Vol. 305. – DOI: 10.1016/j.enbuild.2024.114231.
7. Saman W., Halawa E. Cold climate heat pumps: a review of technologies and performance // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – Vol. 168. – DOI: 10.1016/j.rser.2022.112739.
8. IEA HPT Annex 57. Flexibility of residential heat pumps for grid services. – 2023.
9. European Heat Pump Association (EHPA). 2025 market report. – 2025.
10. Hisense. Инструкция по эксплуатации. Тепловые насосы «воздух-вода» Hi-Therma. Наружные блоки AHW-..., внутренние блоки AHM-... – 2023.
11. Козлова М.В., Банников А.В., Банникова С.А. Оценка эффективности работы парокомпрессионных тепловых насосов типа «воздух-вода» в составе комбинированной системы теплоснабжения // Науковедение. – 2020. – Т. 12, № 3.
12. Liu Y. et al. Optimization of hybrid PVT-air source heat pump system for residential buildings in cold climate zones // Renewable Energy. – 2023. – Vol. 215. – DOI: 10.1016/j.renene.2023.05.112.
13. EN 14825:2018. Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling – Testing and rating at part load conditions.
14. Wang Z. et al. Comparative study of air-source and ground-source heat pumps in severe cold regions // Applied Thermal Engineering. – 2024. – Vol. 236. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.121456.
15. Dualsun. Solarothermal energy: generating electricity, hot water and heating in the Vosges mountains. – 2025.