Откуда взять тепло, когда на улице мороз?

С улицы. Мороз — это очень много тепла; просто оно плохого качества.

Минус восемнадцать — это тепло

Слово «холод» сбивает с толку, потому что в физике его нет. Есть только тепло и его отсутствие, а отсчитывается тепло не от нуля по Цельсию, а от абсолютного нуля — от минус двухсот семидесяти трёх.

Значит, воздух при минус восемнадцати имеет температуру 255 кельвинов. Это на девяносто с лишним процентов пути от абсолютного нуля до комнатной температуры. В кубометре такого воздуха, в промёрзшем грунте, в ледяной реке содержится колоссальное количество тепловой энергии.

Проблема не в её количестве, а в качестве: температура источника ниже, чем нужна нам. Тепло само собой течёт только от горячего к холодному, и из уличного воздуха оно в дом не пойдёт.

Задача, таким образом, формулируется не как «где взять тепло» — оно вокруг, бесплатно и в неограниченном количестве, — а как «как поднять его температуру».

Не произвести, а перенести

Обычный котёл или электрический обогреватель производят тепло, сжигая топливо или расходуя электричество на сопротивлении. Тепловой насос не производит ничего. Он переносит уже имеющееся тепло с улицы в дом, а электричество тратит на перекачку.

Аналогия, давшая устройству имя, точная: водяной насос не создаёт воду, он поднимает её. Затраты на подъём зависят не от количества воды, а от высоты.

Здесь и находится главный ход, и он относится к постановке задачи. Пока задача звучит как «получить тепло», решения ищутся среди источников: топливо, электричество, солнце. Стоит переформулировать её как «переместить тепло из места, где его много и оно не нужно», — и решение оказывается совсем в другой области.

«КПД четыреста процентов»

Отсюда цифра, которая всех смущает: современный тепловой насос отдаёт три-четыре единицы тепла на каждую единицу израсходованного электричества.

Никакого нарушения тут нет, и правильное возражение состоит не в том, что цифра завышена, а в том, что она неверно названа. КПД — доля преобразованной энергии, и больше единицы он быть не может. Здесь же измеряется другое: отношение доставленного тепла к затраченной работе. Величина называется коэффициентом преобразования, и три единицы из четырёх пришли с улицы, а не были созданы.

Есть ли предел? Есть, и он вычисляется в две строки. Теоретический максимум равен температуре в доме, делённой на разность температур, — обе в кельвинах. Для дома в двадцать градусов и улицы в ноль это 293, делённое на 20, то есть около пятнадцати.

Реальные машины дают три-четыре, то есть примерно треть теоретического предела. Для тепловой техники это очень хороший показатель — и одновременно указание, куда расти.

Обратите внимание на структуру формулы: в знаменателе стоит разность температур. Чем меньше подъём, тем дешевле перенос. Отсюда неочевидное следствие, к которому мы вернёмся: выгоднее сначала снизить требуемую температуру отопления, а уже потом улучшать машину.

Кельвин, 1852

Идею высказал Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, в 1852 году. Он заметил, что тепловую машину можно запустить наоборот: не превращать тепло в работу, а работой перекачивать тепло из холодной наружной среды в тёплое помещение. Устройство он назвал умножителем тепла.

Первую работающую машину построил австрийский горный инженер Петер фон Риттингер в 1855–1857 годах — и не для отопления, а для выпаривания соляного рассола, используя сбросной пар производства.

Дальше произошло то, что стоит запомнить. Физика была верна, изобретение — работоспособно, а полтора века тепловые насосы почти не применялись для отопления. Мешала не техника, а цена топлива: уголь, а затем нефть были настолько дёшевы, что сложная машина не окупалась.

Мы разбирали похожие случаи в статьях про тепловую трубу и вихревую трубу, но там изобретение опережало потребность. Здесь потребность существовала всегда — не было экономических условий. Технически верное решение может ждать своего часа не потому, что его не поняли, а потому, что альтернатива временно дешевле.

Как это устроено

Механизм переноса — фазовый переход, и здесь полезно сравнить с тепловой трубой.

В тепловой трубе рабочее тело испаряется на горячем конце, конденсируется на холодном и переносит тепло вниз по градиенту, даром. В тепловом насосе то же рабочее тело испаряется на холодном конце — на улице — и конденсируется на тёплом, в доме. То есть тепло идёт вверх по градиенту, и вот за это приходится платить.

Фокус в том, что компрессор меняет не тепло, а условия кипения. На улице давление в контуре низкое, и хладагент кипит при температуре ниже уличной — значит, отбирает тепло даже у морозного воздуха. Затем компрессор сжимает пар, температура конденсации поднимается выше комнатной — и пар отдаёт тепло в дом. Дальше дроссель сбрасывает давление, и цикл повторяется.

Работа тратится не на нагрев, а на перестановку точки кипения относительно температур улицы и дома.

Бонусом идёт совмещение функций: тот же контур, пущенный в обратную сторону четырёхходовым клапаном, летом охлаждает дом. Одна машина, две противоположные задачи.

Иней, который мешает сам себе

У воздушного теплового насоса есть красивая внутренняя неприятность.

Отбирая тепло у наружного воздуха, теплообменник охлаждает его ниже точки росы. Влага конденсируется на рёбрах и при минусовой температуре намерзает. Слой инея ухудшает теплообмен — то есть полезное действие само создаёт помеху себе.

Приходится периодически включать оттайку: гнать цикл наоборот и греть наружный блок за счёт дома. На это уходит энергия и время, и в реальном сезонном показателе эти потери уже сидят.

Хуже всего условия не в сильный мороз, а около нуля при высокой влажности: воздуха ещё много, но и влаги предостаточно. Грунтовые и водяные насосы этой болезни лишены — они и стоят дороже.

У вас дома он уже есть

Стоит заметить одну вещь, которая обычно ускользает.

Холодильник отбирает тепло из камеры и отдаёт его через решётку сзади — прямо в кухню. Это тепловой насос. Просто полезным в нём объявлен холодный конец, а тёплый считается расплатой, и её выбрасывают. Кондиционер устроен так же, только тёплый конец вынесен на улицу.

Тепловой насос для отопления — тот же самый аппарат, у которого полезным назначен горячий конец. Разница между холодильной машиной и отопительной не в конструкции, а в том, какая сторона объявлена главной.

Отсюда следует практический вывод, куда более широкий, чем отопление коттеджа. Каждая работающая холодильная машина на свете — это готовый, уже оплаченный источник тепла, которое сейчас выбрасывается: витрины и склады супермаркетов, ледовые арены, серверные, молокозаводы. Тепло уже поднято до нужной температуры, за подъём уже заплачено, и оно уходит в атмосферу.

Мы встречали этот ход дважды: вихревая труба выигрывает там, где давление всё равно терялось на дросселе, а гидравлический таран живёт на ударе, который иначе пришлось бы гасить. Общее правило простое: посмотрите на расплаты своей системы — возможно, для соседа это полезная функция.

Честный счёт

Показатель падает с разностью температур. В сильный мороз воздушный насос даёт уже не четыре, а полтора-два — именно тогда, когда тепла нужно больше всего.

Нужны низкотемпературные отопительные приборы. Тёплый пол или увеличенные радиаторы. Старая система, рассчитанная на семьдесят градусов в подаче, сводит выигрыш на нет, а её переделка — главная статья расходов при замене котла.

Сравнивать надо по первичной энергии и по цене. Если электричество выработано на тепловой станции с КПД около сорока процентов, коэффициент три превращается примерно в 1,2 по первичному топливу. Выигрыш остаётся, но он не четырёхкратный. Всё меняется, если электричество не тепловое.

Хладагенты. Распространённые смеси обладают высоким парниковым потенциалом, и утечка обесценивает экологический выигрыш. Отрасль переходит на пропан и углекислый газ, что возвращает вопросы пожаробезопасности и давления.

Капитальные затраты. Скважины для грунтового контура стоят дорого и окупаются годами.

Ресурс не бесконечен локально. Грунтовый контур, рассчитанный без запаса, за несколько сезонов выхолаживает массив вокруг скважин, и показатели падают. Лечится летним охлаждением дома через тот же контур — тогда грунт восстанавливается. Ресурс надсистемы бесплатен, но не безграничен в конкретной точке.

Куда развивается система

Линия развития идёт по источнику низкопотенциального тепла — от общедоступного к более тёплому и стабильному.

Воздух — самый простой и самый капризный. Грунт и грунтовые воды — дороже, но стабильнее. Открытая вода — река, озеро, море.

Дальше начинается самое интересное: сбросное тепло. Канализационные коллекторы, где вода круглый год теплее уличного воздуха. Вентиляционные выбросы. Тоннели метро. Центры обработки данных, которые всё равно надо охлаждать, — их тепло уходит в атмосферу, хотя может отапливать квартал.

Здесь приём становится особенно чистым: источник не просто бесплатен, от него хотят избавиться. Владелец сбросного тепла платит за его удаление, а потребитель — за подъём температуры. Обе стороны в выигрыше.

И параллельно — промышленные высокотемпературные насосы, поднимающие сбросное тепло производства до уровня технологического пара, чтобы вернуть его в тот же процесс.

Что здесь сработало

Переформулировка задачи. Не «получить тепло», а «поднять температуру имеющегося».

Ресурс надсистемы. Низкопотенциальное тепло бесплатно и вокруг.

Работа тратится на условие, а не на результат. Компрессор двигает не тепло, а точку кипения.

Совмещение функций. Обратимый цикл: зимой греет, летом охлаждает.

Уменьшение требуемой разности. Снижение температуры отопления выгоднее улучшения машины.

Утилизация чужого вреда. Сбросное тепло — ресурс, за удаление которого кто-то платит.

Итог

Кельвин назвал своё устройство умножителем тепла, и название точнее нынешнего: машина действительно возвращает больше, чем в неё вложено, — потому что большую часть берёт снаружи, из того, что мы по привычке называем холодом.

А суть умещается в одну фразу:

Прежде чем производить нужное, посмотрите, нет ли его рядом в негодном виде: поднять качество обычно дешевле, чем создать количество.