Тепловой насос — электрическое устройство, которое переносит тепло с улицы в дома людей. Но стандартные модели склонны к обледенению, что значительно снижает их эффективность. Новаторские идеи инженеров позволяют избавиться от этой проблемы, благодаря чему 200-летняя технология теплового насоса может распространиться по всему миру. Ученые и экологи в восторге от открывающихся возможностей.
Как работает тепловой насос
Принцип, по которому работают все тепловые насосы: захватил тепло — используй его. Особенность тепловых насосов заключается в том, что они не только вырабатывают тепло, но и улавливают его из окружающей среды, а затем переносят в дом, передают, например, радиаторам или системам принудительного воздушного отопления. Это возможно благодаря хладагенту, который циркулирует внутри теплового насоса. Хладагент встречает тепло (даже небольшое количество в воздухе) и поглощает его. Затем компрессор нагнетает в хладагенте давление, которое повышает его температуру до такой степени, что он может обогреть дом. При повышении давления молекулы хладагента сближаются, усиливается их движение. Потом хладагент снова расширяется и охлаждается. Этот цикл постоянно на повторе. Но он может идти и в обратном направлении, то есть тепловой насос может охлаждать дом в жаркий день.
Как появился тепловой насос
Это простая, удобная, выгодная и очень старая концепция. Британский математик, физик и инженер лорд Кельвин еще в 1852 году предложил использовать тепловые насосы для обогрева помещений. Первый тепловой насос построили несколько лет спустя. Его использовали в промышленных масштабах: он нагревал рассол, чтобы извлекать из него соль.
Когда запасы угля в Англии в 1950-х годах начали истощаться, то британский парламент снова вернулся к такой идее. А после 1973-1974 годов нефтяного кризиса тепловые насосы активно пропагандировали для отопления домов.
Почему тепловые насосы не распространены повсеместно
Несмотря на долгую историю и потенциальные достоинства тепловых насосов, в некоторых странах они не получили широкого распространения. Одна из причин — цена: оборудование дороже газовых отопительных приборов, а поскольку природный газ на протяжении десятилетий оставался относительно дешевым, у домовладельцев не было стимула переходить на него.
Кроме того, долгое время люди думали, что тепловые насосы не будут эффективно работать в холодном климате, особенно в плохо изолированных домах, которые требуют большого количества тепла. Например, так было в Великобритании, где в помещениях обычно сквозняки.
Но современные устройства хорошо работают даже при температуре воздуха на улице до -23 градусов по Цельсию. К примеру, Норвегия считается одним из мировых лидеров по внедрению тепловых насосов.
Чем поможет тепловой насос сейчас и в будущем
Сейчас мир стоит перед лицом очередного кризиса в области энергоснабжения. Мировые цены на газ растут, что заставляет обратить внимание на тепловые насосы, поскольку за редким исключением они работают на электричестве, а не на газе. Их использование снизит зависимость от ископаемого топлива. Тепловые насосы могут получать энергию, например, от домашних солнечных батарей или от энергосистемы, работающей преимущественно за счет возобновляемых источников энергии.
Если не произойдет технологический прорыв в чем-то другом, то тепловые насосы вполне могут стать решением проблемы. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2030 году эти устройства способны сократить выбросы углекислого газа в атмосферу в глобальном масштабе не менее чем на 500 млн метрических тонн, что эквивалентно годовым выбросам CO2, производимым всеми современными автомобилями в Европе.
Инновационный способ №1: накопление тепла в земле и передача тепловому насосу
Рик Гриноу, инженер по энергетическим системам, а сейчас пенсионер из Университета Де Монтфорт (Великобритания), экспериментировал с накоплением тепла в земле в теплые месяцы, чтобы использовать его тепловым насосом при наступлении холодов. В его проекте используется циркулирующая жидкость для передачи избыточного тепла от солнечных батарей в неглубокие скважины в почве. В результате температура почвы повышается примерно на 22 градуса по Фаренгейту, достигая максимума около 66 градусов по Фаренгейту. Затем зимой тепловой насос может отбирать часть накопленного тепла, чтобы работать более эффективно, когда воздух становится холоднее. Такая технология уже представлена на рынке. Ее предлагают некоторые компании в Великобритании.
Однако большинство существующих тепловых насосов все еще генерируют только относительно низкие температуры на выходе, поэтому владельцам домов со сквозняками придется понести дополнительные расходы на изоляцию при установке теплового насоса. К счастью, появилось решение, при котором не требуется тщательная теплоизоляция дома.
Инновационный метод №2: высокотемпературные тепловые насосы
Инновации в конструкции приводят к созданию еще более эффективных устройств, которые лучше подходят для домов с низким уровнем теплоизоляции. Например, инженер-теплотехник Жибин Ю из Университета Глазго (Великобритания) вместе с коллегами предложил прототип теплового насоса, который сохраняет остатки тепла в небольшом резервуаре для воды. Это помогает устройству потреблять меньше энергии. КПД повышается на 3-10%. Кроме того, часть остаточного тепла перенаправляется так, чтобы устройство самостоятельно размораживалось при необходимости. При этом подача тепла в дом не останавливается.
Прототипом заинтересовалась шведская энергетическая компания Vattenfal и ее голландская дочерняя компания Feenstra. Они объединили усилия для разработки такого устройства.
В качестве хладагента в их конструкции используется CO2. Но поскольку горячие условия работы системы теплового насоса с высоким давлением не позволяют газу легко конденсироваться или охлаждаться, необходимо найти способ снизить температуру хладагента, чтобы он мог поглощать достаточно тепла из воздуха при возвращении в начало контура теплового насоса. Для этого в систему добавили «буфер» — резервуар с водой, в котором слой более холодной воды находится под слоем более горячей. Тепловой насос использует нижний слой более холодной воды из бака для регулировки температуры хладагента. Но он также может направлять более горячую воду в верхней части бака на радиаторы отопления с температурой до 185 градусов по Фаренгейту.
Это устройство менее эффективно, чем обычный тепловой насос с более низкой температурой: в зависимости от условий его КПД составляет около 265% против 300%. Но это все равно лучше, чем у газового котла, КПД которого не превышает 95%. Кроме того, более высокая температура означает, что домовладельцам не нужно сразу же обновлять изоляцию или увеличивать радиаторы.
Тепловые насосы нового поколения уже апробировали в городе Хемскерк, расположенном недалеко от Амстердама. После нескольких лет испытаний в июне 2022 года домовладельцам представили выбор: вернуть старый газовый котел, который они сохранили в своих домах, или использовать высокотемпературный тепловой насос на постоянной основе. Все выбрали тепловой насос.
По данным Международного энергетического агентства, на сегодняшний день тепловые насосы удовлетворяют лишь 10% потребностей в отоплении помещений во всем мире. Однако в связи с нынешним энергетическим кризисом и растущим требованием сократить потребление ископаемого топлива в целях борьбы с изменением климата эти устройства, возможно, могут выйти на первый план.