Чукотський холодильник: технології сьогодення

Електростанції на гейзерах і вулканах, а також інша екзотика... А якщо гейзери на іншому боці глобуса, а під ногами плескає сира глина, в якій так кепсько росте картопля? Не біда. І з глини, зі стилої води сусіднього ставка і навіть каналізаційних стоків ми можемо добути те, що коштує сьогодні в світі все дорожче і дорожче. Енергію! Технології для цього існують.

У відомому анекдоті житель Крайньої Півночі купує собі холодильник, для того щоб залазити в нього і грітися, - адже на вулиці постійно тріскучий мороз, а всередині холодильної камери «плюс п'ять, однак!». Жарти жартами, але використовувати холодильник для опалення - не така вже й несусвітня дурість. Достатньо лише відволіктися від життєвих стереотипів і зрозуміти, що холодильник по суті своїй - це не стільки пристрій зі «створення холоду», скільки машина для перенесення тепла з одного місця в інше. Всередині холодильника поміщений випарник (камера розширення), в якому холодоагент - рідина з низькою температурою кипіння - переходить у газоподібний стан, забираючи при цьому тепло з навколишнього простору. Компресором газ перекачується в конденсатор (він розміщений зовні холодильника) і там стискається. При стисненні холодоагент знову переходить у рідкий стан, віддаючи, викидаючи назовні тепло, відібране всередині холодильника. Потім цикл повторюється.

Спрага тепла

Якщо для нашої країни теплові насоси все ще залишаються екзотикою, то в розвинених країнах Європи, Америки та Азії вони вже зайняли своє помітне місце в національних енергетичних системах. Наприклад, в Японії приблизно 90% домогосподарств обладнані тепловими насосами. У Швеції бажаючі поставити тепловий насос отримують субсидію від держави, в результаті чого в країні діє вже близько півмільйона подібних пристроїв, які опалюють як офіси, так і житлові приміщення. Ухвалений в останні роки шведський будівельний кодекс наказує оснащувати всі нові будівлі досконалою теплоізоляцією, а в системи вентиляції вбудовувати теплові насоси для відбору тепла з повітряних викидів.

З усього цього випливає, що пристрій, створений на принципі холодильника, цілком може забрати для нас тепло там, де воно нікому не потрібно, і перемістити його туди, де воно потрібно всім. Тобто зіграти роль опалювача. Такий опалювач називається тепловим насосом, і, хоча великий англійський фізик лорд Кельвін винайшов його ще в 1852 році, лише останнім часом цей оригінальний пристрій став розглядатися як високоекологічний і практично невичерпний постачальник енергії.

Апаратура сучасних теплових насосів не потребує окремих приміщень, оскільки не використовує пальне, не має вихлопу і працює майже безшумно. Сам насос, а також накопичувальний бак для підігріву води можуть розміщуватися на кухні або в коридорі, не портя вигляд житла.

Дивовижна особливість теплового насоса в тому, що він може грати роль «множника», тобто використовувати для обігріву приміщень джерела низькопотенційного тепла. Іншими словами, насос забирає тепло в таких середовищах, які в нашому уявленні ніяк з високою температурою не асоціюються. Джерелами низькопотенційного тепла можуть служити грунт, ґрунтові води, вода озер і річок (у тому числі покритих льодом), а також повітря.

Копати і бурити

Пояснимо принцип дії теплового насоса на прикладі одного з найпоширеніших його типів: «грунт-вода». Маса, у якої насос забере низькопотенційне тепло, повинна бути значно більше маси, яка в результаті буде обігріта. Тому якщо джерелом енергії для нас стане ґрунт, то доведеться почати досить масштабні землерийні або навіть бурильні роботи. У землю заривають перший контур теплонасоса - він представляє із себе замкнуту систему поліетиленових труб, в яких циркулює теплоносій - розсол. Розсолом в даному випадку називають суміш води і антифриза (наприклад, етиленгліколя), адже для функціонування теплонасоса навіть при низьких температурах повітря потрібно, щоб точка замерзання теплоносія була нижче нуля.

Спору немає, бурильні роботи складніше звичайних землерийних, вимагають спеціального обладнання та дозволів. Однак у зондів перед колекторами є дві важливі переваги. По-перше, вже на глибині близько 20 м можна відбирати тепло, яке приходить з центру Землі, в той час як ближче до поверхні доступна лише енергія, отримана від прогріву ґрунту променями сонця. Ну а по-друге, не варто забувати, що тепловий насос - це все-таки холодильник навпаки. Поява на глибині всього 1,5 м сильного джерела охолодження може завдати шкоди рослинності на ділянці поруч з будинком. Особливо це стосується рослин з глибокою кореневою системою. Вважається, що зарите в землю геотермальне обладнання може служити багатьом поколінням - термін його експлуатації оцінюється виробниками в 100-150 років. Зрозуміло, внутрішній контур теплового насоса не настільки довговічний - його компресор потребує заміни через 25 років.

Перший контур теплонасоса системи «грунт-вода» може мати вигляд як ґрунтового колектора, так і ґрунтового зонду. Ґрунтовий колектор вимагає великої ділянки - для обігріву котеджу може знадобитися площа в кілька сотень квадратних метрів. Ґрунтовий колектор, що має вигляд зміївика, закопується горизонтально на глибину приблизно 1,5 м. Ґрунтовий зонд схожий на сильно витягнуту латинську літеру «U» і занурюється в спеціально пробурену свердловину зазвичай глибиною до 120 м. І колектор, і зонд з'єднуються з апаратом, який встановлено всередині обігрівної будівлі. Там знаходиться внутрішній контур теплового насоса, тобто той самий холодильник навпаки.

Переганяючись (циркуляційним насосом) всередині колектора або зонда, розсол нагрівається від ґрунту на кілька градусів, а потім потрапляє в теплообмінник, який є частиною внутрішнього контуру і служить випарителем. У внутрішньому контурі циркулює холодоагент з низькою точкою кипіння. Температура теплоносія достатня, щоб холодоагент вскипів і, перейшовши в газоподібний стан, забрав тепло у розсолу, знову охолодивши його. Теплоносій знову спрямовується в глиб землі, щоб підігрітися від ґрунту. А у внутрішньому контурі компресор закачує газоподібний холодоагент у конденсатор, і той, стискаючись, віддає зібране тепло. Через систему теплообміну енергія передається опалювальному контуру. Нагріта в ньому рідина використовується для опалення або приготування гарячої води.

Тепло з повітря

У теплових насосах системи «повітря-вода» зовнішній контур включає в себе ось таку заборну колонку. Всмоктуючись у неї, повітря вирушає на зустріч з теплообмінником.

Окріп не потрібен

Ключовим для оцінки ефективності насоса є коефіцієнт перетворення енергії, званий також опалювальним коефіцієнтом (іноді його некоректно називають ККД теплового насоса, хоча це термінологічно неправильно). Цей коефіцієнт обчислюється як відношення віддаваної теплової потужності до споживаної насосом електричної потужності. Зрозуміло, тепло, що поставляється насосом, не безкоштовно, бо пристрій споживає електроенергію для роботи компресора і двох циркуляційних насосів у зовнішньому та опалювальному контурах. Фокус, однак, в тому, що енергія, витрачена на роботу насоса, в кілька разів менше енергії, доставленої насосом в опалювальний контур у вигляді тепла. Але ніякого порушення законів термодинаміки тут немає і в помині. Згадаймо, що тепловий насос не стільки створює тепло, скільки переносить його з місця на місце. Саме тому опалювальний коефіцієнт не можна називати ККД, а тепловий насос "