Газовий конденсаційний, твердопаливний котел або тепловий насос – що обрати для нового приватного будинку, якщо враховувати не лише вартість, а й вплив на довкілля? Дослідники Технічного університету Мюнхена порівняли 13 конфігурацій систем опалення за трьома критеріями: сукупна вартість за 20 років, вплив на довкілля за повним життєвим циклом (LCA, 16 категорій) та еко-ефективність за ISO 14045. Головний результат: тепловий насос «повітря-вода» із фотоелектричною системою виявився єдиною конфігурацією, яка одночасно дешевша (−6%) й екологічніша (−17%) за газовий конденсаційний котел
Об’єкт дослідження та методологія
Модельний об’єкт – двоповерховий індивідуальний житловий будинок площею 190 м² у Мюнхені, що відповідає сучасним стандартам нового будівництва. Розрахункове теплове навантаження – 5 кВт. Річна потреба в опаленні становить 8066 кВт•год (42,5 кВт•год/м²), у гарячому водопостачанні – 2761 кВт•год. Система тепловіддачі – підлогове опалення з температурою подачі теплоносія 35 °C.
Теплове моделювання будівлі виконано у TRNSYS 18, системне моделювання – у Polysun. Погодинний профіль теплового навантаження передано з TRNSYS у Polysun для динамічного моделювання кожної із 13 систем. Оцінку життєвого циклу виконано у SimaPro 9.5 із базою ecoinvent 3.9.1 за методом Environmental Footprint 3.1.
Коментар: Питомий показник 42,5 кВт•год/м² відповідає рівню сучасної європейської новобудови. Для більшості існуючого житлового фонду в Україні ця цифра в 3–5 разів вища. Відмінність критична для експлуатації теплових насосів: збільшення необхідної теплової потужності потребує вищої температури подачі теплоносія, що знижує сезонний коефіцієнт перетворення (SCOP).
Для кого: проєктанти систем опалення для нового будівництва (житлові будинки до 200 м² з низькотемпературною системою тепловіддачі); власники, які обирають між газом, біомасою та тепловим насосом на етапі проєктування.
Досліджувані системи
Дослідники розподілили 13 конфігурацій на три групи: системи на викопному паливі, системи на біомасі та теплонасосні системи. Для біомасних та теплонасосних систем додатково змодельовано варіанти із сонячними колекторами (площа 10 м²) або фотоелектричною системою (потужність 10,7 кВп, південна орієнтація).
Табл. 1. Досліджувані системи опалення та річне споживання палива або електроенергії
| Система | Скорочення | Споживання, кВт•год/рік |
| Газовий конденсаційний котел | GCB | 12 037 |
| Газовий котел + сонячні колектори | GCB_ST | 8 700 |
| Пелетний котел | PB | 12 013 |
| Пелетний котел + сонячні колектори | PB_ST | 8 506 |
| Дров’яний піролізний котел | WB | 12 693 |
| Дров’яний котел + сонячні колектори | WB_ST | 8 817 |
| Тепловий насос «повітря-вода» | ASHP | 3 353 |
| Тепловий насос «повітря-вода» + PV | ASHP_PV | 3 353 |
| Ґрунтовий тепловий насос | GSHP | 3 104 |
| Ґрунтовий тепловий насос + PV | GSHP_PV | 3 104 |
| Тепловий насос «вода – вода» | WSHP | 2 737 |
| Тепловий насос «вода – вода» + PV | WSHP_PV | 2 737 |
| Тепловий насос із крижаним акумулятором | HP_ICE | 2 096 |
Різниця у споживанні кінцевої енергії між групами — від 3,5 до 5,7 раза. Тепловий насос «вода — вода» із сезонним SCOP 4,5 має найменше споживання серед стандартних конфігурацій — 2737 кВт•год/рік. Докладніше про принципи роботи геотермальних теплових насосів та розрахунок геоконтурів — у матеріалі «Геотермія: розрахунок і реальні приклади застосування».
Економічна оцінка: сукупна вартість за 20 років
Економічну оцінку виконано за методом чистої теперішньої вартості (NPV) на горизонті 20 років зі ставкою дисконтування 4%. Розрахунок охоплює початкові інвестиції, заміну компонентів, витрати на паливо та електроенергію, технічне обслуговування й залишкову вартість обладнання.
Найнижчу сукупну вартість мають тепловий насос «повітря-вода» із фотоелектричною системою (ASHP_PV), тепловий насос «повітря-вода» без PV (ASHP) та газовий конденсаційний котел (GCB). Найвищу – пелетний котел із сонячними колекторами (PB_ST), тепловий насос із крижаним акумулятором (HP_ICE) та пелетний котел без колекторів (PB).
Результати аналізу чутливості для більшості систем перекриваються: за інших вхідних умов – ціни палива, рівня інвестицій, ефективності обладнання – порядок у порівнянні може змінитися. Стабільну перевагу утримують лише ASHP_PV, ASHP та GCB порівняно з PB, PB_ST, WB_ST і HP_ICE.
Структура витрат різниться між групами. У газових системах основну частку формують витрати на паливо. В інших системах переважають капітальні вкладення. У біомасних системах до третини загальних витрат припадає на технічне обслуговування та інспекцію.
Рис. 1. Результати економічної оцінки систем опалення за методом чистої теперішньої вартості (NPV). Індикатори похибок відображають результати аналізу чутливості
Коментар для проєктанта: В українських умовах 2024–2025 років тепловий насос має нижчі експлуатаційні витрати, ніж у Німеччині, де тариф на електроенергію для теплових насосів становить 0,279 €/кВт•год. Водночас капітальні витрати на обладнання в Україні можуть бути вищими через логістичні обмеження та менш розвинений ринок сервісного обслуговування.
Екологічна оцінка за повним життєвим циклом
Екологічну оцінку виконано за 16 категоріями впливу: парникові гази, закислення, евтрофікація, токсичність, споживання ресурсів, землекористування та інші. Аналіз лише за CO₂ не враховує, наприклад, токсичності або споживання мінеральних ресурсів — категорій, де результати порівняння суттєво відрізняються.
Парникові гази. Системи на основі газового котла мають найвищі викиди: близько 80% припадає на пряме спалювання природного газу, 20% – на ланцюг постачання. Додавання сонячних колекторів знижує викиди CO₂ приблизно на 25%, однак GCB_ST залишається другою за рівнем емісій системою. Системи на біомасі за умови сталого лісокористування мають найнижчі показники. Теплові насоси займають проміжну позицію з можливістю зниження на ∼10% при інтеграції фотоелектричної системи.
Рис. 2. Річні викиди парникових газів систем опалення за фазами життєвого циклу
Інші категорії впливу. Газовий конденсаційний котел має найнижчий вплив в 11 із 16 категорій – зокрема за закисленням, евтрофікацією, токсичністю та споживанням мінеральних ресурсів. Водночас він показує найвищий вплив у трьох категоріях: потенціал глобального потепління (GWP), руйнування озонового шару (ODP) та споживання викопних енергоресурсів (RU_fo).
Зважений інтегральний показник. Після нормалізації та зважування за факторами Об’єднаного дослідницького центру ЄС (JRC) системи на основі газового котла отримують один із найвищих сумарних балів впливу на довкілля. Найнижчий інтегральний вплив зафіксовано для дров’яного піролізного котла (WB), пелетного котла (PB) та теплового насоса «вода – вода» з PV (WSHP_PV).
Рис. 3. Зважений інтегральний показник впливу на довкілля (single score) із розподілом за категоріями впливу
Інтеграція сонячних колекторів у біомасну систему збільшує сумарне екологічне навантаження. Ресурсомісткість виробництва колекторів (споживання мінералів і металів) перевищує вигоду від зниження обсягу спалюваного палива. Для системи HP_ICE, де площа колекторів удвічі більша, цей ефект виражений ще сильніше.
Коментар для проєктанта: Застосування сонячних колекторів обґрунтоване для нагрівання води для потреб ГВП у літній період. Як доповнення до біомасного опалення показник еко-ефективності колекторів за повним життєвим циклом є від’ємним. Для українських умов, де частка біомасного опалення значна, це аргумент на користь фотоелектричних панелей, а не термічних колекторів як допоміжного компонента системи.
Еко-ефективність: інтегральне порівняння
Еко-ефективність за ISO 14045 поєднує показники впливу на довкілля та економічні показники у єдиному порівнянні. Референтною системою обрано газовий конденсаційний котел (GCB). Системи з нижчим впливом на довкілля і нижчою вартістю характеризуються вищою еко-ефективністю.
Рис. 4. Портфоліо еко-ефективності досліджуваних систем опалення. Вісь X — вартість відносно газового конденсаційного котла (GCB), вісь Y — вплив на довкілля відносно GCB. Системи нижче та лівіше від GCB є еко-ефективнішими
Кожна точка відображає зміну показників порівняно з базовим сценарієм; діагональна лінія показує баланс між економічною та екологічною ефективністю.
Табл. 2. Еко-ефективність систем опалення відносно газового конденсаційного котла (базовий сценарій). Значення ASHP_PV та WB верифіковано з тексту статті, інші – наближено визначено з графічних матеріалів дослідження
| Система | Вплив на довкілля vs GCB | Вартість vs GCB | Оцінка |
| ASHP_PV | −17% | −6% | Найвища еко-ефективність |
| WB | −42% | +20% | Висока еко-ефективність |
| ASHP | −11% | −3% | Вища за GCB |
| GSHP_PV | −20% | +8% | Вища за GCB |
| WSHP_PV | −25% | +12% | Вища за GCB |
| GCB | 0% | 0% | Референтна система |
| PB_ST | +15% | +40% | Нижча за GCB |
| HP_ICE | +25% | +55% | Найнижча еко-ефективність |
Тепловий насос «повітря-вода» із фотоелектричною системою (ASHP_PV) – єдина конфігурація, що одночасно дешевша й екологічніша за газовий котел. Дров’яний піролізний котел (WB) має найбільше зниження впливу на довкілля (−42%), але його сукупна вартість на 20% вища. Загалом п’ять систем перевершують газове опалення за еко-ефективністю: ASHP_PV, ASHP, WB, GSHP_PV і WSHP_PV.
Найнижча еко-ефективність – у теплового насоса із крижаним акумулятором (HP_ICE) та пелетного котла із сонячними колекторами (PB_ST). Обидві системи поступаються газовому котлу і за впливом на довкілля, і за вартістю через високу ресурсомісткість додаткових компонентів.
Висновки для українського контексту
Дослідження виконано для німецьких умов: нова ізольована будівля, стабільна електромережа, прогнозована структура генерації електроенергії із поступовою декарбонізацією до 2040 року, усталені ціни на енергоносії. Пряме перенесення результатів порівняння на українські умови некоректне, однак основні закономірності зберігають актуальність.
Тепловий насос + фотоелектрична система. Ця комбінація лідирує за еко-ефективністю навіть при неоптимізованому самоспоживанні (лише 25% електроенергії теплового насоса покривалося від PV). За даними авторів, оптимізація алгоритмів керування може підняти цю частку до 40%, що додатково знизить і витрати, і викиди. В українських умовах, де нестабільність електропостачання підвищує цінність автономності, ця комбінація має додаткову практичну перевагу.
Газ: низька вартість, високий вплив на довкілля. Навіть із вуглецевим податком, що діє в Німеччині, системи на основі газового котла залишаються серед найдешевших. За зваженим показником впливу на довкілля газ поступається більшості альтернатив. Це означає, що програми субсидіювання, які враховують лише вартість опалення, ставитимуть системи на природньому газі в привілейоване становище, ігноруючи їхній вплив на довкілля.
Сонячні колектори як компонент біомасної системи. Інтеграція термічних колекторів до котлів на біомасі збільшує сумарне навантаження на довкілля за повним життєвим циклом. Фотоелектричні панелі як допоміжний компонент до теплового насоса дають суттєво вищий сумарний ефект.
Структура електрогенерації. Понад 90% впливу теплових насосів на довкілля пов’язано з електроспоживанням у фазі експлуатації. У Німеччині прогнозоване зростання частки відновлюваних джерел енергії поступово покращує цей показник. Для України абсолютні значення відрізнятимуться залежно від структури генерації, але тенденція аналогічна: нижча вуглецеємність електромережі – нижчий вплив теплового насоса на довкілля.
Коментар для проєктанта: Основне обмеження дослідження для українського контексту – тип будівлі. Новобудова з питомим теплоспоживанням 42,5 кВт•год/м² відповідає реальності сучасних проєктів, але не характеризує більшість існуючого житлового фонду з показниками 150–200 кВт•год/м². Як зазначають автори дослідження, результати отримано для системи з подачею 35 °C. Для будівель із вищою температурою подачі теплоносія SCOP теплового насоса знижується, що зменшує його перевагу порівняно з котловими системами (див. залежність COP від температурного графіка у EN 14511).
За матеріалами: Naumann G., Schropp E., Gaderer M. Environmental, economic, and eco-efficiency assessment of residential heating systems for low-rise buildings // Journal of Building Engineering
Часті запитання (FAQ) про вибір системи опалення
Яка температура подачі теплоносія необхідна для максимальної ефективності теплового насоса?
Сезонний коефіцієнт перетворення (SCOP) на рівні 3,5–4,5 досягається виключно в низькотемпературних системах поверхневого опалення (тепла підлога/стіни) з графіком подачі 35 °C. Підвищення температури теплоносія до 55 °C для радіаторів знижує ефективність на 25–30%, що збільшує споживання електроенергії та термін окупності обладнання.
Яка система опалення найвигідніша за сукупною вартістю (TCO) на 20 років?
Згідно з розрахунками LCC (Life Cycle Costing), найменші сукупні витрати демонструє комбінація теплового насоса «повітря-вода» з фотоелектричною системою (PV). Ця конфігурація на 6% дешевша в експлуатації за газовий конденсаційний котел та знижує екологічне навантаження на 17%, за умови теплового навантаження будівлі не вище 42,5 кВт•год/м² на рік.
Чи доцільно встановлювати сонячні колектори до твердопаливного котла?
Інтеграція термічних геліоколекторів у біомасну систему збільшує сумарний екологічний вплив (LCA). Ресурсомісткість виробництва колекторів (витрати металів, мінералів) перевищує екологічний ефект від економії пелет чи дров. Економічно доцільніше інвестувати у фотоелектричні модулі для генерації електроенергії, ніж у систему підтримки опалення на базі колекторів.
Чи ефективний тепловий насос у будинку з радіаторами та великими тепловтратами?
Для будівель зі старим житловим фондом (питоме споживання 150–200 кВт•год/м²) установка теплового насоса без термомодернізації є технічно необґрунтованою. Високотемпературний режим роботи для компенсації тепловтрат знижує SCOP до 2,0–2,5, що зрівнює експлуатаційні витрати з газовим опаленням або перевищує їх. Пріоритетом є утеплення огороджувальних конструкцій.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 017
