Дармовое тепло против энергетического кризиса

В XX веке электричество очень сильно потеснило с «энергетического» сектора лошадь и огонь, но давайте подумаем — из чего же это самое электричество получается? Изначально его вырабатывали турбины приводимые в действие паровой машиной которая, в свою очередь, потребляла уголь. Зачем начали строить гидроэлектростанции, затем появились газовые турбины, турбины работающие на мазуте, ветряки. Но и ветер, и движение воды как физические явления, а газ, уголь  и нефть — как биологические -  это «продукт» солнечной активности. Атомная энергия не имеет прямого отношения к солнцу,  но сама АЭС – сложнейшее и безумно дорогое сооружение. В эпоху квантовой физики и полупроводников появились солнечные батареи, но я сразу хочу вас предупредить: не покупайтесь на эту вещь. Да, они могут использоваться там где нет ничего другого,  например, на космических кораблях, но фантазировать о том, как вы обклеите крышу своего дома этими синими пластинами и будете «просто так» вечно  получать энергию, я не советую. Это не микрокалькулятор, это — дом или квартира, то есть киловатты мощности. Установка себя никогда не окупит. Впрочем, когда мы говорим об «энергии» XIX века, то будем иметь в виду что она растрачивалась исключительно на движение и тепло, то есть на обогрев жилища, сейчас  областей её расхода больше, но обогрев, то есть превращение ее в тепло – одна из самых затратных. Посмотрите сколько производится и продается электрических обогревателей! А ведь топить «чистым электричеством», просто сжигая киловатты в килокалории — верх расточительства.  Обогрев газом представляется куда более удобным, но газ всё время дорожает, газовые сети дорогие в прокладке и обслуживании, ну и плюс драконовские меры безопасности предъявляемые к оборудованию. Уголь представляется явным анахронизмом, но и им до сих пор топят, особенно в частных домах в сельской местности. А «футурологи» прогнозируют – что же будет когда исчезнет вся эта нефть, газ и уголь. А еще определенные признаки указывают что вслед за нынешним потеплением может наступить обвальное похолодание. Что же делать? В русском языке слова «голод» и «холод»  идут явно от какого-то общего «предка». Ибо холод – это автоматически голод, а голод – гарантированная смерть.

1.

Впрочем, энергия, о нехватке которой нам говорят ежедневно, валяется буквально под ногами. Посмотрим на обычный холодильник который, как я надеюсь, есть у каждого. Это такой «ящичек» из которого определённым методом выводится тепло, оттого там внутри — холодно. Но если где-то что-то охлаждается, то что-то должно нагреваться.

Принцип работы холодильника

Засуньте руку за холодильник и вы почувствуете, что трубочка-змеевик (конденсатор) — горячая. То есть тепло сзади — это тепло выведенное из холодильной камеры. Конечно, это происходит не само собой. Второй закон термодинамики запрещает самопроизвольную передачу тепла от более холодного источника к более теплому приемнику. Но если затратить энергию, то такой переход возможен. Холодильник питается от сети, точнее —  от сети питается компрессор-насос. Осмотрев свой холодильник вы можете увидеть, что трубочки в морозильной камере (испарителе) гораздо шире, чем горячие трубочки сзади. Так и должно быть. Газ-хладагент влетает с узкой трубки в широкую, продавливаясь через т.н. «дроссель» (сильное сужение) резко расширяется, совершая, таким образом, работу. Совершая работу — он отдает энергию, то есть охлаждается, охлаждая всю камеру.  А вот чтобы загнать его из широкой трубки в узкую, нужно совершить работу над ним, грубо говоря, впихнуть его в эту трубку. Для того чтобы гонять газ и нужен компрессор — именно он тарахтит в вашем холодильнике. Кстати, если вы накачивали когда-либо шину велосипеда или авто ручным насосом, то должны были заметить, что шланг идущий от насоса к золотнику становится теплым при накачке. Причина — та же самая. Мы вталкиваем газ (воздух) из большего объёма в меньший. Таким образом, холодильник может быть назван «тепловым отсосом». Или «тепловым насосом наоборот». Он забирает тепло с небольшой, хорошо теплоизолированной камеры и выбрасывает его наружу. Обратим внимание, что тепло которое выделает холодильник идёт как бы в никуда, просто нагревает наше помещение.  А если холодильная установка мощная, например, охлаждает камеру величиной со спортзал, то сколько там выделяется тепла? И почти всегда оно выбрасывается в «никуда». По крайней мере у нас.

2.

Итак, как мы увидели, тепло можно совершенно спокойно «выкачивать». Но точно также его можно и накачивать. Немного переформулируем задачу. Допустим, наш дом — это некий теплоизолированный ящик. Ну, то есть мы позаботились и при постройке сделали тёплые стены, поставили нормальные окна, утеплили крышу (что очень важно — тёплый воздух поднимается к верху). В этот ящик нужно «закачать» тепло. Или, говоря проще, обогреть его. Вопрос — откуда его взять? Да откуда угодно! Фактически с любой среды температура которой больше нуля. Обычно, в качестве такой среды используется грунт нагреваемый… да-да, солнцем! Теплоемкость воздуха довольно низкая, а вот прогретый за лето грунт держит тепло довольно хорошо. В февральские 20-градусные морозы вы можете прокопать верхний слой и увидеть, что на глубине 10-20 сантиметров, земля не промёрзла, то есть температура там явно выше нуля. А на глубине 2-3 метра? Такое вот «бросовое» тепло называется низкопотенциальным. Его-то и нужно выкачать в наш дом. В физике это называется «обратный термодинамический цикл»  по аналогии с прямым циклом Карно.

Я впервые заинтересовался этим вопросом когда у нас построили бесплатные артезианские бюветы —  «точки» где можно набрать воду из глубинных скважин — 100-120 м. Помню, стоял совершенно трескучий мороз, градусов 25, я забыл перчатки и руки сильно замёрзли. Я открыл кран и вода показалось мне горячей! Но ее температура реально была 13-14 градусов. 14 — (-25) — почти 40 градусов контраста! Конечно покажется горячей! Потом я вдруг вспомнил, как, бывало, зимой лазили в катакомбы и там тоже круглый год — 13-14 градусов выше нуля. Только тогда я задумался — какое грандиозное и совершенно бесплатное тепло зарыто у нас под ногами! Мы буквально ходим по теплу и в то же время платим огромные деньги за отопление и за горячую воду. Вопрос только в закачке этого тепла в наше жилище.

3.

Для подобной перекачки и нужен тепловой насос. В свою очередь, тепло из грунта можно получить двумя основными способами. Первый  — с поверхностного слоя — 1,20 м до 1,50 м, то есть забирая тепло которое дало солнце.

Тепло из почвы изымается  посредством пластмассового  шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной (так лучше для теплопередачи).  Если грунт сухой придется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м.  В качестве теплоносителя применяется обычная вода с специальным антифризом. Для получение 10 кВт на отопление (в наших среднеевропейских условиях)  придется уложить 350-450 погонных метра трубопровода. Это примерно займет участок 20х20 метров.

Тепловой насос снимающий тепло с поверхностного слоя

Преимущества:

- относительная дешевизна

Недостатки:

-очень высокие требование к качеству укладки.

- потребность в большой площади «съема тепла»

Второй способ – брать тепло с глубины. Вот где бездонная бочка! Ведь если сравнить нашу планету с яблоком, то твердая земная кора по которой мы ходим окажется даже тоньше чем шкурка этого яблока. А дальше  — раскаленная лава, именно она извергается в виде вулканов. Понятно, что тепло с этой гигантской печки прёт наружу. Поэтому вторая популярная конструкция насосов – использование геотермического тепла, для чего на глубину 150-170 м вводятся специальные зонды-теплосъемники. Грунтовые зонды получили за последние годы очень широкое распространение благодаря простоте обустройства и незначительной потребности в технологической площади. Такие зонды состоят, как правило, из пучка четырёх параллельных пластиковых труб, концы которых свариваются специальными фитингами так, что создают два независимых один от другого контура. Их называют также двойными U-образными зондами.Буровые работы проходят в течении одного дня.

В зависимости от различных факторов скважина должна быть где-то в пределах 60-200 м. в глубину. Ее ширина 10-15 см.Установка может быть внедрена на участке земли малой площади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние скважины- минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как грунтовые воды не задействованы в процессе.Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что затрачивая 1кВт электрической энергии на перемещение жидкости в грунт и обратно, Вы получаете 4-6 кВт энергии на отопление.Уровень капиталовложений достаточно высок в установку на базе тепла земных недр, но взамен Вы получаете безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с достаточно высоким коэффициентом преобразования тепла.

Тепловой насос с глубинными зондами-теплосъемниками

Американский ролик рассказывающий о двух основных видах тепловых насосов

Преимущества:

- низкая площадь «съема тепла»

-надежность

-высокая эффективность

Недостатки:- Высокая стоимость

Ну и заметим, что оба типа насосов нельзя использовать во всех регионах. Об этом мы поговорим ниже.Однако не следует думать что тепло можно брать только из земли. Его спокойно можно брать из водоема – например из озера или моря. Можно использовать грунтовые воды. Можно использовать воздух, но этот вариант подходит для стран с более жарким климатом. Можно использовать даже промышленное тепло, например, тепло получаемое в результате охлаждения на атомных и тепловых станциях и т.д.  Одним словом, если есть некий «неиссякаемый» и, самое главное, бесплатный источник низкопотенциального тепла, его можно использовать.Тепловые насосы могут легко работать в режиме «зима-лето». То есть зимой – нагреватель, летом – холодильник. В общем, ведь совершенно без разницы в какую сторону качать тепло. Так что, устанавливая тепловой насос «зима-лето», кондиционер становится не нужен.

Тепловой насос «Зима-лето»

4.

Построение теплового насоса – ответственная инженерная задача и при его проектировании нужно учитывать множество факторов, таких как свойства грунта и информация о внутригрунтовых процессах.

Итак, преимущества тепловых насосов которые мы имеем:

• Вы платите не за тепло, как в электронагревательных приборах, а только  за перекачку тепла. На киловатт работы насоса вы получаете 4-5 киловатт тепла. То есть «КПД» (хотя на самом деле эффективность теплонасоса) — 300-400%.


• Вы в значительной степени перестаете зависеть о цен на энергоносители которые постоянно растут. То есть зависеть от государства.


• 100% экологическая чистота. Сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу.


• Фактически 100% безопасность.  Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет угарного газа, нет двуокиси углерода, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки;


• Надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Практически не требует обслуживания. Тепловой насос работает бесшумно и совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях;


• универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой);


• широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч киловатт).


• Тепловой насос можно сделать своими руками, все комплектующие есть в продаже. Особенно если рядом с домом есть низкотемпературное тепло.


• Тепловой насос никак не заметен и его можно поставить без всяких разрешительных документов.


• Широкая область применения. Особенно удобен он для объектов  расположенных вдали от коммуникаций — будь то фермерское хозяйство, коттеджный поселок или АЗС на трассе. В целом тепловой насос универсален и применим как в гражданском, промышленном так и в частном строительстве.

5.
В СССР

Советский Союз всегда гордился «неисчерпаемостью» своих углеводородных энергоресурсов, но, как сейчас видно, запасы их действительно большие, но вполне себе исчерпаемы. Дешевизна этих самых носителей, фактически нулевая их цена,  пусть и искусственно поддерживаемая, вообще никак не стимулировала экономию электроэнергии.  Бетонные дома и низкокачественные окна, которые с позиции теплоизоляции представляли из себя сплошное решето (мне доводилось видеть фото новостроек в инфракрасных лучах – там тепло уходило и из окон, и из межплиточных стыков, ну и сами панели тоже были ничем не утеплены) вынуждали расходовать колоссальные ресурсы на отопление. Добавьте сюда и то, что отопление в СССР было центральное и от трети до половины тепла терялось при доставке. После нефтяного кризиса начала 70-х годов нефть и газ стали важным валютным товаром и её начали «экономить», правда, весьма своеобразно – всё что можно переводили на электричество, для чего была принята грандиозная программа строительства АЭС.  Про экономию на такой «мелочевке» как квартиры, общественные сооружения, предприятия, никто даже не заикался. Как сказал мне один совершенно типичный советский инженер «большая страна должна экономить по крупному». В чем эта «крупная экономия»  заключалась, я так и не понял. Причем сказано это было в гигантском цеху, где стояли окна в одно (!) стекло. Чтобы поддержать там зимой температуру хотя бы в 13-14 градусов котельная работала на полную мощность. Другое дело, что газ в начале 90-х стоил очень дешево, но как только цена чуть-чуть выросла, ее (котельную) тут же закрыли (навсегда), а систему отопления работяги порезали и сдали на металлолом.

Сейчас Украина платит 500 долл. за 1000 кубометров газа. Если топить тот цех используя то же количество газа, то, наверное, для рентабельности его продукция в пересчете на энергозатраты должна стоить дороже чем кирпичи из золота.  Впрочем, я проходил мимо пару лет назад, площадь окон там резко сократили, заложив их часть пенобетоном, а остальные заменили металлопластиком. Если додумаются обшить стены теплоизоляционным материалом будет вообще отлично. При СССР этого не делалось, в подобных тратах не было необходимости, ибо повторюсь: газ вообще ничего не стоил.Но, нужно сказать, что в единичных случаях тепловые насосы использовались даже в СССР. Я не знаю какие именно энтузиасты «пробили» их установку, но как обычно, все ограничилось некими «экспериментальными образцами». Шедевром советского архитектурного хайтека можно считать пансионат «Дружба» в Ялте, который отапливался зимой и охлаждался летом при помощи теплового насоса бравшего энергию с глубины Черного моря (там она стабильна и почти никогда не опускается ниже 7 градусов). Насос, который кроме отопления, подогрева воды для бытовых нужд, подогревал открытый плавательный бассейн и справился со своей задачей даже в невероятно холодную зиму 2005-2006 гг.  Были даже опытные геотермальные теплонасосные установки в частных коттеджах. Конечно, не где попало, а в самой развитой части СССР – в Прибалтике.

6.

За границей

Тепловой насос – штука совсем даже не новая. Впервые о таковом задумался уже упоминаемый нами Карно в 1824 году, когда разрабатывал свой идеальный термодинамический цикл. А вот первый реальный экземпляр построил англичанин Вильям Томсон, лорд Кельвин, спустя 28 лет. Его «умножитель тепла» использовал в качестве рабочего тела (хладагента) воздух, от наружного же воздуха получал тепло. Первая пробная модель была запущена в Швейцарии и примерно сто с лишним лет эта горная страна была лидером в области использования низкопотенциального тепла.
Перед Второй мировой войной здесь создали первую крупную установку мощностью 175 кВт. Теплонасосная система использовала тепло речной воды и отапливала Цюрихскую ратушу. Причем она работал в режиме «зима-лето», зимой нагревала, а летом  охлаждала воздух внутри здания.Но все же до 1973 года даже на Западе использование тепловых насосов носило фрагментарных характер. И только после резкого повышения цен на нефть на них обратили внимание по-настоящему. Через семь лет, в  1980 году, в США работало  три миллиона тепловых насосов. До недавних пор Штаты оставались лидерами по количеству выпущенных систем, теперь на первое место вышла Япония. Сейчас в США ежегодно выпускают около миллиона новых установок.  В том же 1980 году во всей Западной Европе было 150 тысяч систем, то после очередного скачка цен на газ в начале 2000-х, только за 2006-ой было продано свыше 450 тысяч установок. Из всех насосов геотермальные составляют четверть.Швеция – холодная северная страна — в настоящее время стала неоспоримым лидером по количеству тепловых насосов в Европе. К примеру, только в 2006 году было продано более 120 тысяч единиц . Образцом служит теплонасосная станция мощностью 320 МВт в Стокгольме. В качестве источника тепла используется вода Балтийского моря температурой +4°С, охлаждающаяся до +2°С. Летом температура увеличивается, а с ней и эффективность станции.             Франция известна тем, что до 70% всей электроэнергии там производится на атомных станциях и, возможно, именно эта страна имеет самую лучшую энергосистему в Европе, во всяком случае, если брать крупные страны. Но за тепловые насосы французы взялись серьезно —  переход на теплонасосные установки также стимулируется за счет государства. Впрочем, в остальных передовых странах он тоже стимулируется. Компании, предлагающие экологически чистые установки, пользуются налоговыми льготами. Граждане, приобретающие системы, – налоговым кредитом (до 50%). В результате подобных мер продажи подскочили вверх: в 2006 продали 54 тысячи тепловых насосов, что вывело Францию на второе место в Европе после Швеции. Активно продаются и системы кондиционирования на базе тепловых насосов: с января по апрель 2007 года объем вырос вдвое. За год была продана 51 тысяча блоков за год.Германия исключительно бедна «классическими» энергоносителями, оттого там действуют строгие нормы по энергоэффективности зданий – «Общенациональные нормы по потреблению энергии» (если бы такие нормы ввести в СССР или пост-СССР, я не уверен – соответствовал бы им хотя бы 1% сооружений). Жесткие требования стимулируют развитие рынка тепловых насосов. За 2006 год рост продаж составил 250% К середине 2008 года общее количество тепловых насосов в стране превысило 300 тысяч. Германия занимает четвертое место в Европе, немного уступая Финляндии.
Великобритания  проводит сейчас второй этап компании «Низкоуглеродное строительство». Для этих целей субсидируют переход жилых и общественных зданий на тепловые насосы и поощряют применение их в проектах новой застройки.

На Дальнем Востоке -   Япония – не только один из лидеров по количеству производимых и продаваемых теплонасосов, но и передовик в деле улучшения технологии. Именно здесь разрабатываются новые хладагенты и современные установки с самым высоким КПД.   А вот Китай, который прёт на всех парах, испытывает острейшую нехватку энергоресурсов. Поэтому власти этой коммунистической страны обратили внимание на тепловые насосы. Вскоре и здесь будут предоставлять субсидии владельцам зданий, которые перейдут на возобновляемые источники энергии, в том числе и геотермальное отопление. Несмотря на то, что рынок только развивается, его объемы впечатляют: в год в Китае продают около 15 миллионов кондиционеров на базе тепловых насосов. Не вызывает сомнения что китайцы могут производить всё необходимое в любых количествах и по весьма приемлемым ценам.

7.

Россия и Украина

Почему-то часто высказывается мнение, что в России тепловые насосы «не пойдут» так как там, во-первых, дешевые  (по сравнению с Западом) энергоносители, во всяком случае, не такие дорогие чтобы массово ставить насосы, а во-вторых, особенности климата сделают эти самые насосы малоэффективными или вообще неэффективными, как например в условиях вечной мерзлоты.  Но это мнение не совсем правильно. Энергоносители пока что дешевые по сравнению с Европой, но хозяева т.н. «русского газа» будут стремиться поднять его цены на внутреннем рынке к мировым, им совсем не выгодно продавать его дешевле. Это – экономика. Что же касается «физики», то действительно, половина России находится в вечномерзлых грунтах, но и живет там миллионов 20, не больше. Остальные 120-125 во вполне себе пригодных для установки ТН местах. Почему, скажем, в Финляндии их можно ставить десятками тысяч, а в Карелии или в Петербурге «невыгодно»? Что же касается южных районов, то там вообще нет проблем. Да, если брать теплопроизводительность, то, наверное, среднестатистический российский ТН будет стоить дороже своего аналога в Америке или Японии, всё-таки климат в России, в общем, холоднее. Но с другой стороны, ТН в Ростовской области, наверное, будет все-таки эффективнее чем такой же в Финляндии. Так что всё упирается в государственную политику, не более.

Типовой советский панельный дом.  Съемка в инфракрасных лучах. Видно, как тепло бьет буквально отовсюду. Контрастом выступает  утепленная часть дома — там утечка тепла практически отсутствует, однако даже по этой фотографии трудно сказать — насколько качественно сделано утепление.

Еще «веселее» ситуация на Украине. 20 лет ее власти кричат об «энергетической независимости» и о «российской газовой удавке». Но что они предложили взамен? По их мнению, нужно «диверсифицировать» источники закупок энергии. Ну, то есть, покупать не только у России, но, например, у Азербайджана. Однако, Азербайджан конечно же не будет продать газ ни на копейку дешевле чем Россия, тем более что Азербайджану этот газ не принадлежит, всё так или иначе завязано на западные компании. Так что, от смены продавца решительно ничего не изменится. Реальный путь снижения зависимости – сокращение потребления углеводородного топлива. А вот тут не сделано ничего. Вообще ничего. Украина потребляет просто бешеное количество газа, если брать её население и, в общем, довольно слабую экономику. Так, например,  она потребляет газа больше чем Франция, притом, что Франция куда более богатая страна. А ведь если бы вместо истерических воплей и параноидальных фантазий о «газовой задвижке» которую однажды в студеную зиму «перекроет коварный москаль» были бы внедрены нормальные программы теплосбережения, а тепловые насосы начали бы ставить куда вообще возможно, то потребление газа, а следовательно и зависимость от поставщиков, можно было бы сократить в раза два. А если учесть что Украина тоже добывает газ, то вообще можно было бы свести ее к минимуму. Но об этом вам никто не скажет. Снижение потребления газа не выгодно властям, ибо связанные с ней компании-продавцы наваривают на посредничестве миллиарды. Кто ж откажется от таких шальных денег? Так что эры тепловых насосов тут не будет, хотя фрагментарно они всё-таки устанавливаются. Энтузиастами-любителями.

© M.A. de Budyon

Апрель 2013 г.