История развития геотермальных тепловых насосов

Материал взят с сайта brosk.su

Эта статья написана специально, чтобы ответить на частые вопросы о глубине бурения скважин, о сути работы тепловых насосов и о развитии современных технологий теплонасосов.

Чтобы определиться заранее, что войдет в данный обзор, давайте выделим 2 вида геотермальных источников. Это высокотемпературные и низкотемпературные.

Высокотемпературные источники геотермальной энергии

Высокотемпературные источники обусловлены ростом температуры земной коры и мантии при приближении к ядру земли. Это приводит к нагреву глубинных вод до высоких температур. в вулканических регионах они выходят наружу по трещинам в земной коре. Примером использования таких источников служит радусов Мутновская ГеоЭС — геотермальная электростанция в Камчатском крае.

Низкотемпературные источники геотермальной энергии

Низкотемпературные источники. Это тепло поверхности земной коры, которая хранит солнечную энергию. Об истории использования данных источников мы и поговорим в обзоре. А именно, о геотермальных тепловых насосах или тепловых насосах с источником тепла - земля, или грунтовых тепловых насосах, или тепловых насосах земля-вода. Какие бы из этих названий не использовались, суть технологии одинакова.

Предпосылки создания геотермальных тепловых насосов

Люди на нашей планете не всегда задумывались над тем, что земля копит в себе солнечную энергию. Тем более не знали, что энергия эта копится в виде тепла. Солнце дает в среднем от 2 кВт до 6 кВт энергии на м2 в день. И конечно не было известно, что на глубине от 4х метров накопленная энергия остается постоянной в каждой точке на земле вне зависимости от времени года.

Изучение температуры под землей впервые провел основатель современной химии француз Антуан Лоран Лавуазье. Он установил ртутный термометр на глубине 27 метров. В 1778 году Буффон показал, что показания этого термометра остаются неизменными в течение года. В 1799 году Александр фон Гумбольдт отметил, что показания этого термометра с начала века отличаются лишь на 0,04 градуса!
Современные измерения температуры грунта

В 1838 году в королевской обсерватории в Эдинбурге (Шотландия) начались точные измерения температуры. Они были подхвачены другими лабораториями и не прерывались до середины 20 века.

По результатм исследований температурные изменения на глубине 7 метров составляют лишь 1/20 от изменений температуры на поверхности, а на глубине 14 метров всего 1/400.

Таким образом, все описанные выше исследования показали: температура грунта даже на небольших глубинах (от 4 метров) остается практически неизменной в течение года.
Это дало понимание, что использования грунта как стабильного источника тепла, может быть очень полезным. Осталось "приручить" низкопотенциальную энергию и преобразовать её в высокопотенциальную.

Первый тепловой насос

Параллельно, Уильям Томсон (также известный как лорд Кельвин) в 1852 году разработал "умножитель тепла", который имеет отголоски системы работы "тепловых насосов". Теоретическая основа "размножителя тепла" опирается на более ранние разработки французского физика Сади Карно, формулой которого до сих пользуются при расчетам идеального COP (коэффициента преобразования или коэффициента эффективности) теплового насоса. практическая основа работы его умножителя заключается в том, что можно забрать тепло у более нагретого тела и передать его менее нагретому, если совершить механическую работу.

Тепловой насос Томпсона так и не нашел практического применения, но лабораторная модель была получена. Томпсон также дал и название данному устройству - тепловой насос.

Теперь дело за промышленной моделью. Она не заставила себя долго ждать и уже в 1855 году австрийский инженер Петер Риттер фон Риттенгер усовершенствовал установку и произвел на свет тепловой насос. К сожалению, как это часто бывает, тепловой насос так и не нашел свое практического применения аж до 20х годов ХХ века. 
Первый современный тепловой насос

В 1927 году в Шотландии, инженер Д. Холдейн сконструировал первую теплонасосную установку для своего дома. Этот первый тепловой насос, представлял из себя холодильную машину с электроприводом в 5 кВт. Источником тепла у данной машины был уличный воздух (по сути, это аэротермическая установка, работающая по принципу воздух-вода). Был даже вычеслен COP первого бытового теплового насоса 2,3!

Датой первой установки следующего типа тепловых насосов "вода-вода" принято считать 1936 год. Тогда, в Цюрихе был произведен монтаж теплонасоса под названием "Rotasco", мощностью 175 кВт, который снабжал теплой водой ратушу. Источником тепла служила речная вода.

Следующий этап - это создание геотермального теплового насоса "земля-вода".
Дело случая: в 40 х годах ХХ века изобретатель Роберт Вебер, проводя эксперименты с морозильной камерой, прикоснулся к горячей трубе на выходе. Вдруг, его экспериментаторский ум сразу посетила мысль, что тепло просто взбрасывается наружу! Последнее дало Веберу возможность использовать данное тепло для обогрева дома. В итоге, его семья получила столько тепла, сколько не могли освоить! Изобретатель не остановился на месте и ему пришла мысль, что в качестве источника тепла, можно использовать землю. Он поместил медные трубы в грунт и заполнил их фреоном. Фреон забирал тепло из земли, конденсировался, отдавал тепло в дом и снова возвращался в трубы в грунте.

Тепловые насосы в наши дни
Несмотря на успехи, тепловые насосы не имели бурных темпов роста и уступали в конкуренции с другими источниками тепла. Толчком к интенсивному развитию тепло насосов послужил энергетический кризис 1973 года. Буквально за 3 года, рынок тепловых насосов в США достиг значения 300 000 установок в год (для примера, в России он до сих пор находится в районе 1000 штук в год).

В наши дни темпы роста производства тепловых насосов ежегодно увеличиваются на 30-40%. Если взглянуть на страны-лидеры отрасли, то в Японии уже установлено более 10 млн тепловых насосов, в США ежегодно выходит с конвейера 1 млн установок, а жители Швеции получают от теплонасосов более 50% тепла.
Тепловые насосы в России
Что касается России, то рынок тепловых насосов в нашей стране развит плохо. Даже необходимость экономии в отоплении, а также слабая газификация страны не приводят к серьезным объемам продаж! Тем не менее, в нашей компании, наблюдается существенный рост интереса и продаж тепловых насосов.  В основном недостатоность рынка обусловлена недоверием населения. Если вы читаете данный пост, значит вы верите в будущее системы и я лично благодарен вам за это!

Выводы
По прогнозам нашей компании, спустя 5 лет рынок тепловых насосов в России утроится! Это будет связано и с ростом доверия технологии теплонасосов и с ростом цен на газ, которые сильно опережают рост цен на электричество. Поживем-увидим!

Теплых вам вечеров!

Олег Ковалев