Чукотский холодильник: технологии сегодняшнего дня
В известном анекдоте житель Крайнего Севера покупает себе холодильник, для того чтобы залезать в него и греться, — ведь на улице постоянно трескучий мороз, а внутри холодильной камеры «плюс пять, однако!». Шутки шутками, но использовать холодильник для отопления — не такая уж несусветная глупость. Достаточно лишь отвлечься от житейских стереотипов и понять, что холодильник по сути своей — это не столько устройство по «созданию холода», сколько машина для переноса тепла из одного места в другое. Внутри холодильника помещен испаритель (камера расширения), в котором хладагент — жидкость с низкой температурой кипения — переходит в газообразное состояние, забирая при этом тепло из окружающего пространства. Компрессором газ перекачивается в конденсатор (он размещен снаружи холодильника) и там сжимается. При сжатии хладагент вновь переходит в жидкое состояние, отдавая, выбрасывая наружу тепло, отобранное внутри холодильника. Затем цикл повторяется.
Из всего этого следует, что устройство, созданное на принципе холодильника, вполне может забрать для нас тепло там, где оно никому не нужно, и переместить его туда, где оно нужно всем. То есть сыграть роль отопителя. Такой отопитель называется тепловым насосом, и, хотя великий английский физик лорд Кельвин изобрел его еще в 1852 году, лишь в последнее время это оригинальное устройство стало рассматриваться в качестве высокоэкологичного и практически неисчерпаемого поставщика энергии.
Удивительная особенность теплового насоса в том, что он может играть роль «умножителя», то есть использовать для обогрева помещений источники низкопотенциального тепла. Иными словами, насос забирает тепло в таких средах, которые в нашем представлении никак с высокой температурой не ассоциируются. Источниками низкопотенциального тепла могут служить грунт, грунтовые воды, вода озер и рек (в том числе покрытых льдом), а также воздух.
Копать и бурить
Поясним принцип действия теплового насоса на примере одного из самых распространенных его типов: «грунт-вода». Масса, у которой насос заберет низкопотенциальное тепло, должна быть значительно больше массы, которая в результате будет обогрета. Поэтому если источником энергии для нас станет грунт, то придется начать довольно масштабные землеройные или даже бурильные работы. В землю зарывают первый контур теплонасоса — он представляет из себя замкнутую систему полиэтиленовых труб, в которых циркулирует теплоноситель — рассол. Рассолом в данном случае называют смесь воды и антифриза (например, этиленгликоля), ведь для функционирования теплонасоса даже при низких температурах воздуха требуется, чтобы точка замерзания теплоносителя была ниже нуля.
Первый контур теплонасоса системы «грунт-вода» может иметь вид как грунтового коллектора, так и грунтового зонда. Грунтовый коллектор требует большого участка — для обогрева коттеджа может потребоваться площадь в несколько сотен квадратных метров. Грунтовый коллектор, имеющий вид змеевика, закапывается горизонтально на глубину примерно 1,5 м. Грунтовый зонд похож на сильно вытянутую латинскую букву «U» и погружается в специально пробуренную скважину обычно глубиной до 120 м. И коллектор, и зонд соединяются с аппаратом, который установлен внутри обогреваемого здания. Там находится внутренний контур теплового насоса, то есть тот самый холодильник наоборот.
Перегоняясь (циркуляционным насосом) внутри коллектора или зонда, рассол нагревается от грунта на несколько градусов, а затем попадает в теплообменник, который является частью внутреннего контура и служит испарителем. Во внутреннем контуре циркулирует хладагент с низкой точкой кипения. Температура теплоносителя достаточна, чтобы хладагент вскипел и, перейдя в газообразное состояние, забрал тепло у рассола, вновь охладив его. Теплоноситель опять устремляется в глубь земли, чтобы подогреться от грунта. А во внутреннем контуре компрессор закачивает газообразный хладагент в конденсатор, и тот, сжимаясь, отдает собранное тепло. Через систему теплообмена энергия передается отопительному контуру. Нагретая в нем жидкость используется для отопления или приготовления горячей воды.
Кипяток не нужен
Ключевым для оценки эффективности насоса является коэффициент преобразования энергии, называемый также отопительным коэффициентом (иногда его некорректно называют КПД теплового насоса, хотя это терминологически неверно). Этот коэффициент вычисляется как отношение отдаваемой тепловой мощности к потребляемой насосом электрической мощности. Разумеется, тепло, поставляемое насосом, не бесплатно, ибо устройство потребляет электроэнергию для работы компрессора и двух циркуляционных насосов во внешнем и отопительном контурах. Фокус, однако, в том, что энергия, потраченная на работу насоса, в несколько раз меньше энергии, доставленной насосом в отопительный контур в виде тепла. Но никакого нарушения законов термодинамики здесь нет и в помине. Вспомним, что тепловой насос не столько создает тепло, сколько переносит его с места на место. Именно поэтому отопительный коэффициент нельзя называть КПД, а тепловой насос — воплощением мечты о вечном двигателе. Хотя если учесть, что источник низкопотенциального тепла практически неисчерпаем, то можно сказать, что изобретение лорда Кельвина все же находится от этой несбыточной мечты где-то поблизости.
Отопительный коэффициент вычисляется отдельно для так называемых рабочих точек, обозначаемых по модели вида B0W35, где B — это рассол (от англ. brine), 0 — температура рассола 0 °C, W — вода в отопительном контуре (от англ. water) и 35 — температура этой воды в градусах Цельсия. Для такой рабочей точки отопительный коэффициент реального теплового насоса будет равен примерно 4−5 — иначе говоря, мы получим в виде тепла энергии на 300−400% больше, чем затратим. Для рабочей точки B0W55 (рассол — 0 °C; вода, нагретая до +55°С) отопительный коэффициент окажется меньшим и составит порядка 2,5−3,1. (Теоретический отопительный коэффициент вычисляется как отношение температуры отопительного контура к разнице температур между отопительным и внешним контуром, реальный всегда несколько меньше.)
Вода, температура которой ниже температуры человеческого тела, может показаться недостаточной для нужд отопления, но в реальности во многих странах мира, например в Германии, принят именно такой стандарт для обогрева помещений, а тепловые насосы, подогревающие отопительный контур до +55°С, применяются уже для приготовления горячей воды.
Секрет в том, что качественного отопления помещения с помощью теплового насоса можно добиться, лишь полностью переоборудовав систему отопления с учетом самых современных энергосберегающих технологий.
Во-первых, необходима высококачественная теплоизоляция помещения, исключающая малейшие утечки тепла. Во-вторых, температуры +35°C в отопительной системе окажется вполне достаточно, если применять так называемое лучистое, или инфракрасное, отопление. К таким системам относятся теплые полы, а также излучающие тепло стенные и потолочные панели.
Из всего сказанного следует, что «дешевая» энергия недр и вод обходится пока не столь дешево. Покупка и установка теплового насоса для обогрева дома стоит сегодня 30−50 тысяч. Правда, производители утверждают, что через 5−8 лет эксплуатации тепловой насос будет выгоднее дизельного или газового котла за счет несравнимо меньших эксплуатационных расходов. К тому же производители и продавцы верят, что с ростом заказов на тепловые насосы цена на оборудование и установку будет стремительно падать. Возможно, и государство со временем сможет предложить некие льготы тем, кто решился перейти на более экологичные виды получения энергии. Сейчас подобная практика существует в некоторых странах ЕС.
Мы благодарим представителя компании Zehnder GmbH Ольгу Третьякову за помощь при подготовке данного материала