Несколько лет назад один новосибирский физик очень экспрессивно охарактеризовал систему теплоснабжения нашего Научного центра. Жители Академгородка, сказал он, обогреваются словно «папуасы возле костра». В этом высказывании содержался нелицеприятный намек на то, что прославленный центр инновационных технологий в плане жизнеобеспечения так и остался в той эпохе, когда он был создан. Обычные газовые котельные, сжигающие ценное топливо, кажутся в наши дни анахронизмом. А ведь в том же Академгородке есть специалисты, работающие над системами комбинированной выработки тепла и электричества для объектов небольшой мощности. Но эти разработки у нас не нашли применения, хотя на Западе широко используются. Впрочем, когенерация – это уже вчерашний день. Как разъяснил мне один сотрудник Института теплофизики СО РАН, сейчас уже идет вопрос о внедрении систем тригенерации, это когда помимо тепла и электричества вы вырабатываете еще и холод. То есть с такой системой дома могут не только отапливаться в зимнее время, но и охлаждаться во время летней жары. Как раз этим занимались в ИТ СО РАН. Однако о внедрении таких систем не было и речи, поскольку в наших домах – даже в новых – существует серьезный ограничитель. Этим ограничителем является водяное отопление с его вездесущими чугунными радиаторами.
Поразительно то, что мы основательно «застряли» на водяном отоплении домов. Уже к каждой многоэтажке подвели Интернет. Где-то уже подумывают над созданием «умных домов», но водяной радиатор в наших квартирах всё еще остается немым памятником позапрошлому веку. «Простой и надежный» способ отопления – так его характеризовали на протяжении многих лет. Тем не менее, в Советском Союзе ему пытались найти более современную замену, начиная как минимум с 1970-х годов.
Отметим, что при работе водяного радиатора 30 процентов энергии передается излучением, а остальные 70 процентов – конвекцией. Одним из недостатков традиционных «батарей» являлся их непрезентабельный вид. Также отсутствовало устройство для регулирования теплоотдачи. Более совершенным устройством был конвектор. Он представлял систему ребер, насаженных на отопительную трубу. Ребра образуют каналы, через которые проходит нагреваемый воздух. В результате до 90 процентов возрастает доля тепловой энергии, передаваемой путем конвекции. Конвективные потоки, в свою очередь, уже легко регулировать. Конвектор можно было окружить кожухом, образующим конвективную шахту. Затем внутри кожуха поместить регулировочный клапан, позволяющий изменять конвективную тягу и тем самым регулировать теплоотдачу.
Нельзя сказать, что наши специалисты намеревались полностью отказаться от водяного отопления. Благодаря своей простоте, этот способ как нельзя лучше подходил для массового строительства. И всё же система отопления «домов будущего» требовала иных решений. И они рассматривались. Мало того, их широкое внедрение воспринималось как результат неизбежного технического прогресса.
В частности, ставился вопрос о переходе на воздушное отопление. Здесь использовались разные системы. Одни из них более подходили для общественных зданий, другие – для жилых. В последнем случае воздух предварительно нагревался в центральной камере до 14 градусов Цельсия, а затем проходил через устройства «доводки», стоящие при входе в каждую квартиру. Преимущество воздушных систем перед водяными было очевидным. С одной стороны, воздушные системы давали приток свежего воздуха. С другой стороны, система «доводки» позволяла регулировать температуру поступающего воздуха без всяких проблем. Кроме того, здесь можно использовать уже нагретый воздух, уходящий из дома, что дает ощутимую экономию энергоресурсов. Кстати, в начале 1970-х годов в Москве был построен экспериментальный дом с воздушной системой отопления. Несмотря на хорошие результаты испытаний и рекомендации к широкому внедрению, производство оборудования для таких систем не было налажено. Чугунные радиаторы оказались в явном выигрыше.
Тем временем советские специалисты пытались еще дальше заглянуть в будущее и оценить принципиально иные варианты отопления. Так, было обращено внимание на отопление с помощью электрической энергии. Естественно, напрямую отапливать дома электричеством неоправданно дорого. И всё же были варианты, вполне допустимые с экономической точки зрения.
Допустим, существует крупная электростанция, питающая током соседние предприятия. Однако предприятия работают днем. По этой причине в ночной время необходимо было «снижать обороты» для генераторов. Экономически такое падение нагрузок совершенно невыгодно. Недогрузка как таковая снижает эффективность работы станции. Почему бы тогда, рассуждали специалисты, «внепиковую» энергию не использовать для отопления домов? Понятно, что при таком режиме подачи энергии необходимо было устанавливать тепловые аккумуляторы. Для этих целей была предложена специальная отопительная «электропечь», представлявшая массивный сердечник из материала с большой теплоемкостью, внутри которого размещались нагревательные элементы.
Считалось, что такие системы вполне пригодны для отдаленных районов, где работают электрические станции (например, ГЭС), но куда затруднен подвоз топлива. Или же для южных районов, где отопительный сезон короток, зимы не очень суровые, в силу чего строительство котельных считалось нецелесообразным. Были также варианты совмещения водяных и электрических систем. Первые обеспечивают минимальную температуру на уровне 14 градусов Цельсия, вторые – для температурной «доводки». Прообразами таких устройств вполне могли стать электрические нагревательные приборы, выпускаемые отечественной промышленностью.
Впрочем, наши специалисты не питали в этом случае иллюзий, справедливо полагая, что подобные варианты использования электричества не будут применяться массово. Необходимо было найти что-то поистине инновационное, способное изменить подходы к системам отопления кардинально. И вот здесь в поле зрения попалось одно оригинальное устройство, созданное коллективом советских ученых еще в 1957 году. Это устройство могло как нагревать помещение, так и охлаждать его при минимальных затратах электрической энергии. Данное устройство получило обозначение как «полупроводниковый тепловой насос».
Напомним, что тепловой насос сам по себе не является изобретением наших дней (как до сих пор думают некоторые наши соотечественники). Такие устройства в США производили серийно еще в 1930-х годах. В Советском Союзе о них писали в 1950-е годы и даже были предложения по их массовому внедрению. В устройстве, о котором идет речь, использовался так называемый эффект Пельтье. Этот эффект был обнаружен в цепи из различных полупроводников. Когда по такой цепи пропускается электрический ток, температура спаев меняется. Причем, в зависимости от направления тока, она либо повышается, либо понижается.
Созданное нашими специалистами устройство состояло из ряда полупроводниковых стержней – дырочных и электронных, соединенных последовательно. Часть контактов находилась на улице, часть – в помещении. Контакты, расположенные на улице, создавали электронно-дырочные пары, поглощающие тепло. Контакты, расположенные в помещении, отдавали всё тепло, полученное на улице. То есть тепло как бы перекачивалось из более холодной среды в более теплую. Причем, энергетические затраты на «перекачку» тепла были невелики. Согласно расчетам, при температуре в комнате 17 градусов Цельсия и 7 градусов снаружи на один киловатт электрической энергии можно получить почти 30 КВт тепла!
Интересно, что по сей день находятся скептики (якобы знающие физику), которые не понимают принципа работы теплового насоса, и потому полагают, что это какое-то шарлатанство. Самое странное, что все эти принципы были детально изложены в советской научной и научно-популярной периодике полувековой давности. Действительно, тепловым насосам у нас когда-то уделяли пристальное внимание. Как мы уже сказали, они были хороши не только тем, что обогревали помещение, но и тем, что могли его охлаждать (для чего всего лишь менялось направление тока). Соответственно, изменяя силу тока в цепи, можно регулировать температуру помещения.
В начале 1970-х уже были самые разные конструкции тепловых насосов, работающие в разных средах (не только в воздушной, но также и в водной). Перед специалистами открывались широченные перспективы в качестве выбора источников тепла для «перекачки» его внутрь помещений. В частности, такую работу проводили в Лаборатории полупроводниковых тепловых насосов при Энергетическом институте имени Кржижановского. Несмотря на дороговизну таких систем, наши ученые на сомневались в том, что за ними будущее. Во-первых, они считались самым эффективным вариантом использования электрической энергии для отопления. Во-вторых, уже тогда, в начале 1970-х, с тепловыми насосами связывалось решение экологических проблем городов, поскольку они позволяли оздоровить атмосферу, сделать воздух чище. Как резонно замечали советские специалисты тех лет, утилизацию продуктов сгорания легче всего организовать на крупных электростанциях, чем на небольших котельных. Иначе говоря, полвека назад тепловой насос рассматривался в контексте «зеленых» технологий.
Мы напоминаем об этом сейчас, поскольку наши специалисты уже тогда выносили на обсуждение те вопросы, которые вполне буднично обсуждаются в развитых странах в наши дни и по которым там принимаются вполне конкретные решения – как технические, так и экономические. То есть мы упустили свой шанс на лидерство и в этих вопросах, и потому находимся в позиции догоняющих. Чугунный водяной радиатор в этом смысле выступает для нас в качестве немого укора.
Николай Нестеров
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии