В век конечных энергоносителей и постоянно растущих на них цен поиск альтернативных источников тепла становится не просто трендом, но и насущной необходимостью. 

Сегодня такими источниками, реально функционирующими на практике, можно назвать:

• Солнечные батареи
• Ветряки
• Тепловые насосы
• Гидроэлектростанции
• Биотопливо

Остановимся немного подробнее на каждом из них.

Солнечные батареи

Используют солнечную энергию, преобразовывая ее в тепловую. Сложны в монтаже, достаточно высоки в цене, ограниченный срок службы. Обязательно стоит учитывать климатические особенности региона.

Ветряки

Используют энергию ветра. Эффективны в местности без плотной застройки с стабильными предсказуемыми ветрами. Чем выше мачта, на которой расположен ветряк, тем производительней будет установка. Хорошо показали себя вблизи морских побережий (например в Нидерландах), однако избыточно дороги в производстве и обслуживании при недостаточном кпд.

Тепловые насосы

Тепловой насос – оборудование, переносящее энергию «оттуда-сюда», чаще всего снаружи внутрь. Принцип работы напоминает в общих чертах работу холодильника. Но если холодильник забирает тепло у продуктов и выводит его наружу, то тепловой насос делает ровно наоборот – забирает тепло снаружи и доставляет его внутрь, то есть обогревает воздух внутри помещения. Теплоснабжение производится за счет использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли, воды или избыточного тепла производственных процессов.

Тепловой насос не производит тепло, он его просто перемещает!
Любое тело с температурой выше 0, имеет запас тепловой энергии.
Тепловой насос – не самодостаточное оборудование, а часть инженерной системы, включающей в себя различное климатическое оборудование.

Одним из крупных производителей современного климатического оборудования является компания «Mycond» (Великобритания). Среди богатого ассортимента различного оборудования представлена широкая линейка тепловых насосов.

Как это работает

Теплоноситель, проходя по внешнему контуру, уложенному в земле или водоеме, нагревается на несколько градусов. Внутри насоса теплоноситель проходит через испаритель и отдает тепло внутреннему контуру. Во внутреннем контуре находится хладагент с низкой температурой кипения. Проходя через испаритель, хладагент переходит в газообразное состояние при температуре -5. Затем хладагент попадает в компрессор, где посредством сжимания происходит увеличение давления и повышение температуры, вследствие чего теплоноситель переходит в газообразное состояние. Далее этот газ поступает в конденсатор – происходит обмен теплом между газом и теплоносителем из обратного контура. Затем хладагент проходит через расширительный клапан, вследствие чего уменьшается его температура и давление, и газ вновь превращается в жидкость. Далее весь цикл повторяется снова.

Все тепловые насосы делятся на несколько типов:

1. Геотермальные тепловые насосы. Используют тепло скальных пород, грунтов, водоемов.

Геотермальные системы замкнутого типа. Внешний контур системы – полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или воду. Теплоносителем выступает раствор воды и этиленгликоля или этилового спирта в пропорции 30% к воде.

Источник тепла – скалистая порода. Бурится одна глубокая или несколько менее глубоких скважин. Для производительности 10кВт энергии суммарная глубина скважин (или одной скважины) должна составлять не менее 170 метров, из предварительного расчета 50-60 Вт тепловой энергии на 1 метр скважины.

Источник тепла – земля. Оптимальные условия – влажный грунт, в связи с чем рабочими будут участки с близким расположением грунтовых вод. Контур с теплоносителем размещается в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (от 80 см и более, в зависимости от региона). Минимальные требования для реализации подобного варианта - земельный участок 20х20 кв.м, что позволяет разместить контур длиной 350-450 м, что позволит производить 10 кВт тепловой энергии.

Источник тепла – водоем. Вода – идеальный источник тепла при использовании теплового насоса. Контур укладывается на дно водоёма. Вода в водоеме обладает высоким коэффициентом преобразования энергии. Для производства 10 кВт тепла в источник понадобится уложить контур длиной 300 м.

Геотермальные системы открытого типа. Подобные системы используют в качестве теплоносителя воду, которая по завершению цикла возвращается в землю. Такой вариант возможен, если в скважине достаточно чистой воды и такое использование грунтовых вод не запрещено законодательством.

2. Воздушные тепловые насосы. В качестве источника тепла используют воздух. Принцип работы практически аналогичен работе кондиционера. Но тепловой насос может работать при низких уличных температурах, в то время как задача кондиционера в первую очередь – это охлаждение воздуха. Инверторное оборудование (которое умеет греть воздух в помещении при небольшом минусе за окном) затрачивает гораздо больше электроэнергии, нежели теплонасос, и уязвимо для минусовых значений, если этот показатель опускается ниже заявленного.

3. Тепловые насосы, использующие вторичное тепло. Актуальный вариант для промышленных объектов, где существуют источники избыточного тепла, возможного к утилизации. Тепловые насосы будут наиболее эффективными в промышленных цехах, где существует значительный объем горячего воздуха.

Биотопливо

Может быть твердым (пеллеты – спрессованные отходы лесопереработки), жидким (биоэтанол, биометанол и другие биоспирты, полученные путем спиртового брожения), газообразным (биогаз, биоводород и другие газы, получаемые в результате брожения отходов жизнедеятельности скота, человека, бытовых отходов, остатков растениеводства и пр.).

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции – проверенный источник возобновляемой энергии, используемый по всему миру. Эффективность крупных гидроэлектростанций беспорна и не нуждается в доказательствах. Однако, в случаях локального применения для теплоэнергоснабжения малых объектов, строительство гидротехнических сооружений слишком затратно. Применение микрогидроэлектростанций – внуков речных мельниц – затруднительно в большинстве случаев по причине экологического законодательства, ограничивающего использование водных ресурсов.

Обычно для выработки энергии не используют какой-то один альтернативный источник тепла, чаще всего это работает из нескольких составляющих одновременно. КПД каждого вида пока еще не очень высок.

Безусловные плюсы таких энергоресурсов:

• экологическая безопасность
• возобновляемость
• доступность

Минусы:

• низкий КПД
• высокая стоимость оборудования, монтажа и обслуживания

На современном рынке альтернативной теплоэнергетики для локальных случаев использования пока лучше всех себя зарекомендовали тепловые насосы. Прикладной науке есть над чем работать, развивая и усовершенствуя способы трансформации энергии из альтернативных источников.