Тепловой насос как источник комфорта и экономии энергии

Прошлый, индустриальный этап технологического развития характеризовался высокой стандартизацией принимаемых решений, в том числе и в сфере ЖКХ – типовые многоэтажки по всей стране, центральное отопление от котельных или ТЭЦ. Современный постиндустриальный мир требует для обеспечения конкурентоспособности разнообразия, в том числе в таком простом деле, как отопление дома. И одним из возможных решений является применение теплового насоса, обеспечивающего кроме комфорта и экономию энергии.

Отопление с использованием тепловых насосов – вещь современная, но род свой ведет из позапрошлого века. Изобрел тепловой насос человек, состоящий на государственной службе Австро-Венгерской империи. Звали его Петер фон Риттингер.

Сын бедных родителей, учившийся на казенный кошт, получил два высших образования – юридическое и горное. Именно такая подготовка требовалась в Дунайской монархии для того, чтобы занять должность инспектора горных мельниц, обогатительных производств по современной номенклатуре.

И вот, дослужившись до должности главы горнотехнического надзора в Иоахимстале, Яхимове в современной Чехии, он в 1856 году применил созданную в 1852 году лордом Кельвином теорию теплового насоса для оптимизации энергозатрат при выпаривании соли. Введенная им технология использования скрытой теплоты водяных паров стала использоваться на всех солеварнях Австро-Венгрии.

За изобретение теплового насоса Петер фон Риттинген был в 1863 награжден орденом Железной Короны, возводящим в наследственное рыцарское сословие – так высоко уже в те времена оценивались вопросы энергоэффективности. В честь изобретателя названа Риттингерштрассе, упирающаяся в венский Мархвельд-канал.

Следующий этап развития тепловых насосов связан американским изобретателем-самоучкой Робертом Уэббером, обнаружившим, что тепло от радиатора морозильной камеры вполне пригодно для того, чтобы обогревать бойлер, дающий горячую воду для ванной. Причем остающееся тепло вполне ощутимо греет дом! Уэббер догадался отвести часть горячей воды на циркуляцию в змеевик и, обдувая его потоком воздуха с помощью вентилятора, обеспечить калориферный обогрев дома дармовым теплом. Ну, условно дармовым, конечно – тот же вентилятор потребляет энергию.

После этого Уэббер сделал следующий шаг – он пришел к выводу, что тепло лучше «выкачивать» из земли, где даже зимой сохраняется относительно постоянная температура. Он проложил в окрестностях своего дома медные трубы, где циркулировал забирающий при испарении земное тепло фреон. Тепло это газ отдавал в доме, конденсируясь, и опять шел на циркуляцию в землю. Теперь тепла было достаточно для того, чтобы избавить Уэббера от его старого угольного отопления.

В сороковых-пятидесятых особого интереса к тепловым насосам не было. Электроэнергия в США была дешева, климат на значительной части страны мягок, и многим было по карману топить дома просто электроэнергией. А вот нефтяные кризисы начала семидесятых заставили Запад подойти к проблеме энергосбережения куда более внимательно. Тепловые насосы стали находить все более широкое применение для отопления жилых домов и коммунальных объектов. Ну а в постсоветское время тепловые насосы стали распространяться и по России.

Тепловой насос с весьма высокой вероятностью есть и в ваших домах и офисах, уважаемые читатели. Это – кондиционер, переключенный четырехходовым краном в режим обогрева.

Чем он отличается от обычного электронагревателя? Простой масляный радиатор, сжигая киловатт электроэнергии, выдает киловатт тепла. Ну а кондиционер в режиме отопления при тех +3 градусах Цельсия, что сейчас за окном, выдает около трех киловатт тепла на киловатт электроэнергии. Как же так? Что это – вечный двигатель?

Да нет, конечно… Дело в том, что тепловой насос забирает скрытое, низкоэксергичное тепло из внешних источников, в случае кондиционера – из атмосферного воздуха. Забор этот идет за счет испарения фреона в наружном блоке кондиционера. Ну а потом, во внутреннем блоке кондиционера, фреон конденсируется, отдавая это тепло. И на все это идет высокоэксергичная энергия, электрическая. На работу компрессора, загоняющего газообразный фреон в испаритель. На работу вентилятора, разгоняющего тепло по комнате.

Так что если добавить взятое за окном низкоэксергичное тепло, мы увидим, что КПД теплового насоса ниже единицы, как и подобает любой тепловой машине. И работать в режиме теплового насоса кондиционер может только во вполне определенных условиях – где-то до минус пяти. Дальше идут проблемы с испарением фреона и эффективность работы системы резко падает. Так что отдельный тепловой насос обычно забирает энергию у грунта, имеющего постоянную температуру уже на глубине в несколько метров.

Выглядит в наших условиях это примерно так – на приусадебном участке на глубине в пару метров закапывается трубопровод с теплоносителем. Трубы идут где-то с шагом в полтора метра. Каждый метр трубопровода дает в характерных для Нечерноземья глинистых грунтах 50-60 Вт. Для отопления дома в 200 квадратных метров необходим участок в восемь соток – газону и цветам трубопроводы теплового насоса не мешают совсем.

Ну а в случае, если тепловым насосом надо обогреть многоквартирный дом, то, скорее всего, придется прибегнуть к бурению вертикальных скважин глубиной в 50-70 метров. Опущенная в них десятидюймовая труба даст 700 Вт с погонного метра. В обоих случаях на киловатт затраченной электроэнергии тепловые насосы будут выдавать от трех до пяти киловатт тепла. Именно этим обуславливается экономическая эффективность тепловых насосов.

Представим себе электростанцию, где топливо сжигается с КПД 50%. И тепловой насос, отапливающий жилой дом с эффективностью в 3 кВт тепла на 1 кВт электроэнергии. Так в этом случае мы получим в полтора раза больше тепла, чем если бы мы жгли топливо непосредственно в жилом доме! А централизованная доставка топлива на электростанцию куда удобней, чем доставка его к каждому дому. То есть с точки зрения топливной эффективности мы имеем значительное повышение эффективности.

Но для работы тепловых насосов нужны значительные капиталовложения. Система теплового насоса дороже и печи, и АОГВ, и котла на пеллетах. Денег стоит и оборудование электростанции, линии электропередач, понизительные трансформаторы – все это загоняется в тариф на электроэнергию. Так что конкретное решение о применении тепловых насосов надо весьма обсчитывать.

Навскидку можно назвать несколько «экологических ниш» для тепловых насосов на территории нашей страны. Отдаленные местности, куда топливо идет «северным завозом». Удаленные местности вблизи ГЭС или АЭС, где возможно получение электроэнергии по льготным тарифам. Южные негазифицированные местности, где отопительный период не слишком велик, да еще есть возможность использования ветроэнергии. Да, и включить кондиционеры в черемуховые холода – это ведь тоже использование теплового насоса!

     Михаил Ваннах