Как тепловые насосы могут помочь в борьбе с глобальным потеплением

Эти сверхэффективные системы могут значительно сократить выбросы от отопления и охлаждения зданий.

Отредактировано 2023-25-06
воздушный тепловой насосТепловой насос на основе воздуха.

Многие штаты поставили перед собой амбициозные цели по сокращению выбросов парниковых газов, пытаясь достичь целей, установленных Парижским соглашением по климату. Калифорния хочет стать углеродно-нейтральной к 2045 году, Нью-Йорк стремится к 100-процентному сокращению выбросов по сравнению с 1990 годом к 2050 году, а Флорида обязалась сократить выбросы на 80 процентов за тот же период времени.

Но если у нас есть хоть какой-то шанс достичь этих целей и предотвратить некоторые из худших последствий изменения климата, нам нужно обратить внимание на наши здания. Здания являются источником 40 процентов выбросов парниковых газов в США, и более трети этих выбросов приходится на отопление, охлаждение и вентиляцию. На отопление наших внутренних помещений приходится десятая часть ежегодных выбросов. Большинство зданий сегодня используют природный газ, нефть или пропан для обогрева, создавая миллионы мелких источников углеродного загрязнения с большим кумулятивным эффектом.

К счастью, уже есть другой вариант: тепловые насосы. Одни забирают тепло из воздуха, другие - из земли, и все они более эффективны и меньше загрязняют окружающую среду, чем ваша громоздкая газовая печь.

Как работают тепловые насосы

В фундаментальной технологии тепловых насосов нет ничего нового. Ваш холодильник - это тепловой насос. Он всасывает тепло изнутри и выталкивает его наружу - вот почему компрессор в задней части холодильника кажется горячим. Даже при низких температурах в воздухе есть тепло, и цикл сжатия пара, который используют холодильники и кондиционеры, по сути, концентрирует это тепло и перемещает его. Он нагревает одно пространство, чтобы охладить другое.

Тепловые насосы - это, по сути, реверсивный кондиционер. Когда в помещении холодно, они могут забирать тепло из внешнего источника - воздуха или земли, в случае геотермальных установок, и использовать его для нагрева воздуха или воды для насосов горячей воды внутри помещения. Когда внутри слишком жарко, они могут выводить тепло наружу.

Тепловые насосы с воздушным источником концентрируют тепло из наружного воздуха и используют его для обогрева внутренних помещений, и работают подобно кондиционеру, когда в помещении жарко. Геотермальные, или грунтовые, тепловые насосы также имеют на своей стороне термодинамику для отопления и охлаждения. На глубине от 30 до нескольких сотен футов под поверхностью Земли круглый год поддерживается довольно постоянная температура. В США эта температура составляет от 45 до 75ºF в зависимости от места, где вы находитесь, причем многие штаты находятся в середине этого диапазона. Эти температуры близки к комфортным для человека, и тепловой насос может воспользоваться этим для энергоэффективного отопления и охлаждения.

Геотермальные насосы используют петлю из труб, заполненных жидкостью - в основном водой с добавлением некоторых антифризов - для использования идеальных температур в глубине земли. В холодные месяцы грунт теплый относительно поверхности, поэтому трубы переносят тепло в здание, где тепловой насос - устройство внутри помещения, нагнетающее воздух - может использовать его для нагрева воздуха или воды. Летом, когда земля холодная по сравнению с воздухом, тепло перекачивается из здания в землю.

Сокращение счетов за электроэнергию и выбросов

Теплопередача по своей сути более энергоэффективна, чем производство тепла, поэтому тепловые насосы потребляют гораздо меньше энергии, чем обычные печи. Фактически, все тепловые насосы технически эффективны более чем на 100 процентов, что означает, что они производят больше энергии в виде тепла, чем потребляют электроэнергии. Между тем, даже особенно эффективный газовый обогреватель может достигать только 90 процентов. По этой причине, согласно данным Министерства энергетики США, тепловые насосы могут сократить счета за электроэнергию на 65% по сравнению с традиционными системами ОВКВ.

Поскольку геотермальные тепловые насосы имеют благоприятный температурный градиент: зимой грунт теплый относительно поверхности, а летом прохладный относительно поверхности - они могут быть даже более эффективными, чем насосы с воздушным источником. "Это соломинка, которая всасывает тепло, и это очень, очень эффективно, потому что земля всегда 50ºF, она всегда мягкая", - говорит Кэти Ханнун, президент и соучредитель компании Dandelion, устанавливающей геотермальное отопление в домах. "Вот почему геотермальные тепловые насосы - самый эффективный способ отопления и охлаждения". Она говорит, что эффективность геотермальных тепловых насосов составляет от 400 до 500 процентов, обеспечивая в четыре-пять раз больше тепловой энергии, чем вы покупаете электроэнергии.

В ходе эксперимента Джефф Спитлер, профессор машиностроения из Университета штата Оклахома, изучающий энергопотребление зданий, обнаружил, что геотермальная система более чем на 60% эффективнее обогревает и охлаждает коммерческое здание, чем воздушный тепловой насос. Он добавляет, что необходимо провести дополнительные исследования эффективности различных систем тепловых насосов.

Расширение масштабов использования тепловых насосов открывает большие перспективы для сокращения выбросов, вызывающих потепление климата. В исследовании 2018 года, подготовленном для Совета по защите природных ресурсов, ученые подсчитали, что переход на тепловые насосы для отопления помещений и нагрева воды может сократить выбросы от калифорнийских домохозяйств примерно наполовину. Учитывая огромное количество энергии, используемой по всей стране для обогрева и охлаждения домов, переход на тепловые насосы в масштабах всей страны также будет способствовать значительному сокращению выбросов парниковых газов. В "Стратегии глубокой декарбонизации США на середину века", официальном документе от 2016 года, в котором изложены пути выполнения страной Парижского соглашения (до выхода США из соглашения администрацией Трампа), тепловые насосы упоминаются как часть стратегии по сокращению выбросов от зданий. "Геотермальные тепловые насосы используют электроэнергию для обеспечения отопления, охлаждения и нагрева воды в зданиях с более высокой энергоэффективностью, чем обычные системы отопления и кондиционирования воздуха", - говорит Сяобинг Лю, исследователь геотермальных тепловых насосов в Национальной лаборатории Оук-Ридж. "Даже если мы по-прежнему используем электроэнергию, вырабатываемую на электростанциях, геотермальные тепловые насосы могут сократить выбросы, связанные с электроэнергией, благодаря своей эффективности".

Тепловые насосы также могут решить важнейшую проблему, связанную с ветряными и солнечными системами энергоснабжения: непостоянство энергоснабжения, вызванное колебаниями ветра и солнечного света. Лю объясняет, что системы геотермальных тепловых насосов могут быть спроектированы таким образом, чтобы хранить дополнительную энергию в виде тепла под землей, сохраняя ее для тех случаев, когда ветряки и панели не справляются со спросом на энергию. "Система будет не только нагревать и охлаждать, она может подключаться к сети", - говорит он. "Таким образом, сеть не будет испытывать таких скачков [от переменного производства энергии]".

Разжигание рынка

В настоящее время 10 процентов американских домохозяйств используют тепловые насосы, большинство из которых - воздушные. Геотермальные тепловые насосы составляют всего один процент рынка ОВК.

В исследовании 2017 года Лю и его коллеги определили основные препятствия для увеличения этой доли рынка. Наиболее значимым из них является высокая стоимость. В коммерческих помещениях геотермальная система может стоить 20,75 доллара за квадратный фут площади здания, а стоимость дома с тремя спальнями, по оценкам Лю, составляет от 9000 до 15000 долларов. Это связано с тем, что бурение отверстий в земле для трубопроводов стоит дорого, как и сама система трубопроводов. "Это может быть вдвое дороже обычной системы", - говорит Лю. "Это самый большой барьер".

Кроме того, Лю объясняет, что существует проблема курицы и яйца из-за небольшого рынка насосов с наземными источниками энергии. Поскольку инвестиций мало, исследований по улучшению и расширению технологии проводится мало. А поскольку рынок мал, люди не инвестируют в его развитие. "Все новые технологии всегда имеют высокую стоимость", - говорит он, добавляя, что хотя геотермальные тепловые насосы не являются новинкой, в последние годы было очень мало разработок по этой технологии. "Но они становятся дешевле благодаря усовершенствованию". Кроме того, существуют "мягкие затраты" на просвещение потребителей и обучение подрядчиков работе с тепловыми насосами.

Хотя движение пока еще невелико, несколько компаний уже начали решать эти проблемы. Ханнун из компании Dandelion Energy говорит, что им удается снизить первоначальные затраты за счет того, что они, по сути, объединяют отдельные профессии - бурение и сантехнику - в одну. Без такой компании, как Dandelion, домовладельцу пришлось бы работать с несколькими подрядчиками, чтобы выполнить установку. Это похоже на то, как солнечная энергетика стала дешевле после того, как стала отдельной профессией, объединив навыки кровельщиков и электриков, чтобы создать единые компании, которые могли бы предоставлять весь комплекс услуг. Компания Dandelion также предлагает финансирование, и Ханнун говорит, что типичный домовладелец в Нью-Йорке платит 135-140 долларов в месяц в течение 20 лет за установку геотермальной системы, которая прослужит 25 лет. На северо-востоке это часто меньше, чем домовладельцы платят за топливо для отопления, поэтому их ежемесячные расходы на отопление снижаются после установки, после чего они платят только за небольшое количество электроэнергии для работы теплового насоса.

Частные коммунальные компании, которые уже прокладывают подземные системы для природного газа, также могут сыграть свою роль в переходе на электрическое отопление и охлаждение. В Массачусетсе радиостанция WBUR недавно сообщила, что некоммерческая организация, занимающаяся вопросами изменения климата, Home Energy Efficiency Team, работала с местным коммунальным предприятием, чтобы рассмотреть возможность замены устаревших линий природного газа на геотермальные трубопроводы. Теперь коммунальная компания предложила три пилотных проекта для тестирования "сетевой системы", в которой они управляют трубами под землей, а домовладельцы и предприятия владеют собственными тепловыми насосами в зданиях. Такая система может снизить затраты для владельцев недвижимости и упростить подключение к геотермальному отоплению и охлаждению.

Однако в большинстве мест сейчас по-прежнему дешево и легко использовать природный газ для отопления. Например, в Нью-Йорке коммунальные службы обязаны подключать дома в радиусе 100 футов от газопровода бесплатно для домовладельца. "Если вы представляете собой новую технологию, трудно конкурировать с бесплатной", - говорит Ханнун. "Мы должны изучить политику, действующую сегодня, и убедиться, что мы стимулируем то, что хотим".

При наличии государственных стимулов и политики, а также при увеличении инвестиций и подготовки рабочей силы тепловые насосы способны помочь нам достичь целей по снижению выбросов. Ханнун, со своей стороны, считает, что мы видим начало революции. "Я основала компанию Dandelion три года назад, и даже за то время, что она существует, мы увидели огромные изменения", - говорит она. "Поэтому я чувствую, что движение набирает обороты".