Геотермальная энергетика?Электростанции на гейзерах и вулканах, а также прочая экзотика... А если гейзеры на другой стороне глобуса, а под ногами хлюпает сырая глина, в которой так скверно растет картошка? Не беда. И из глины, из стылой воды соседнего пруда и даже канализационных стоков мы можем добыть то, что стоит сегодня в мире все дороже и дороже. Энергию! Технологии для этого существуют.
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.
Жажда тепла
Если для нашей страны тепловые насосы все еще остаются экзотикой, то в развитых странах Европы, Америки и Азии они уже заняли свое заметное место в национальных энергетических системах. Например, в Японии примерно 90% домохозяйств оборудованы тепловыми насосами. В Швеции желающие поставить тепловой насос получают субсидию от государства, в результате чего в стране действует уже около полумиллиона подобных устройств, которые отапливают как офисы, так и жилые помещения. Принятый в последние годы шведский строительный кодекс предписывает оснащать все новые здания совершенной теплоизоляцией, а в системы вентиляции встраивать тепловые насосы для отбора тепла из воздушных выбросов.
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.
Аппаратура современных тепловых насосов не требует отдельных помещений, так как не использует горючее, не имеет выхлопа и работает почти бесшумно. Сам насос, а также накопительный бак для подогрева воды могут размещаться на кухне или в коридоре, не портя вид жилища.
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.
Спору нет, бурильные работы сложнее обычных землеройных, требуют специального оборудования и разрешений. Однако у зондов перед коллекторами есть два важных преимущества. Во-первых, уже на глубине около 20 м можно отбирать тепло, которое приходит из центра Земли, в то время как ближе к поверхности доступна лишь энергия, полученная от прогрева почвы лучами солнца. Ну а во-вторых, не стоит забывать, что тепловой насос – это все-таки холодильник наоборот. Появление на глубине всего 1,5 м сильного источника охлаждения может нанести вред растительности на участке рядом с домом. Особенно это касается растений с глубокой корневой системой. Считается, что зарытое в землю геотермальное оборудование может служить многим поколениям – срок его эксплуатации оценивается производителями в 100–150 лет. Разумеется, внутренний контур теплового насоса не столь долговечен – его компрессор потребует замены через 25 лет.
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.
Тепло из воздуха
В тепловых насосах системы «воздух–вода» внешний контур включает в себя вот такую заборную колонку. Всасываясь в нее, воздух отправляется на встречу с теплообменником.
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"