Тепловые насосы: многовековая система теперь лежит в основе энергетической стратегии правительства

Тепловые насосы Это устройства, которые работают как холодильник в обратном направлении, перемещая тепло из воздуха или земли снаружи здания внутрь здания за счет циркуляции хладагента. В случае теплового насоса с воздушным источником, например, тепловая энергия из атмосферы, хотя она может быть холоднее, чем воздух внутри рассматриваемого здания, тем не менее достаточно теплая, чтобы заставить жидкий хладагент испаряться в газ. Затем этот газ проходит через компрессор, который увеличивает давление газа и одновременно вызывает повышение его температуры. Затем тепло от газа можно использовать для обогрева здания, в то время как хладагент охлаждается и возвращается в исходное жидкое состояние, что позволяет начать процесс заново.



Истоки научных принципов, лежащих в основе тепловых насосов, можно проследить до шотландского Просвещения 18-го и начала 19-го веков.

В 1756 году химик профессор Уильям Каллен из Эдинбургского университета провел первую публичную демонстрацию искусственного охлаждения.

Он создал небольшое количество льда, используя насос для создания частичного вакуума над контейнером с диэтиловым эфиром, понизив его температуру кипения так, что он кипел и поглощал тепло из окружающей среды в процессе.

Однако, несмотря на успех проверки концепции, холодильный процесс профессора Каллена не нашел коммерческого применения.



Почти столетие спустя, в 1852 году, британский математик Уильям Томсон, барон Кельвин, развил эту идею, предложив устройство, которое могло бы перекачивать энергию из низкотемпературной области — скажем, на открытом воздухе — в более теплую, сжигая топливо для выполнения работы.

Таким образом, тепловые насосы могут извлекать тепло из более холодной среды, не нарушая второй закон термодинамики, согласно которому энтропия всегда увеличивается.

  Тепловой насос

История тепловых насосов насчитывает более двух столетий и имеет большое британское влияние. (Изображение: Getty Images)

  Схема работы тепловых насосов



Тепловые насосы работают как холодильник наоборот, перемещая тепло снаружи внутрь. (Изображение: Getty Images)

Первый настоящий тепловой насос был выпущен австрийским инженером Петером фон Риттингером четыре года спустя, в 1856 году, хотя он называл его «паровым насосом».

Как гласит афоризм, необходимость — мать изобретения, и машина была создана, чтобы предоставить соляным фабрикам Эбензее экономически выгодное средство для извлечения соли из рассола в условиях нехватки местного топлива.

После нагревания до 212F (100C) для запуска процесса этот закрытый паровой сосуд использовал скрытую теплоту водяного пара, выкипавшего из рассола, для дальнейшего нагревания рассола.

Ключом к системе был механический компрессор, приводимый в действие водяным колесом, который повышал давление и температуру пара перед подачей его в полость под сосудом с рассолом.



Таким образом, вода будет накапливаться в полости, так как соль выпадает в осадок в сосуде наверху.

Паровой насос имеет одно заметное отличие от своих преемников систем домашнего отопления, а именно в том, как водяной пар, смешанный с соляным раствором, служит как хладагентом, так и нагреваемой жидкостью.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Экономия энергии: система «умный дом» может сократить счета за электроэнергию на 600 фунтов стерлингов

  Уильям Каллен

В 1756 году Уильям Каллен провел первую публичную демонстрацию искусственного охлаждения. (Изображение: общественное достояние)

  Уильям Томсон, барон Кельвин

Лорд Кельвин предложил устройство, которое могло бы перекачивать энергию из низкотемпературной области в более теплую. (Изображение: общественное достояние / господа Дикинсон, Лондон, Нью-Бонд-стрит)

Развивая эту концепцию с помощью двухфазного поршневого компрессора, швейцарский физик Антуан-Поль Пикар из Лозаннского университета и инженер Жюль Вейбель построили систему сжатия пара, которая была установлена ​​на соляных заводах Бекс в 1877 году.

Это была не единственная роль Швейцарии в истории тепловых насосов. В 1928 году словацкий инженер Аурел Стодола сконструировал тепловой насос замкнутого цикла, который использовал воду из Женевского озера для обогрева женевской ратуши. Он работает и по сей день.

А между 1937 и 1945 годами фирмы Sulzer, Escher Wyss и Brown Boveri установили около 35 тепловых насосов по всей Швейцарии, что помогло уменьшить нехватку угля.

Одна из таких систем, насос Escher Wyss, отапливавший ратушу в Цюрихе, прослужила 63 года, пока в 2001 году не была заменена современной моделью.

  Нориджский тепловой насос

Первый крупномасштабный тепловой насос в Великобритании был построен в Норидже Джоном Самнером. (Изображение: Facebook/Финн Геотерм)

В Великобритании первый крупномасштабный тепловой насос был собран из утилизированных деталей инженером Джоном Самнером для электрического отдела городского совета Нориджа в 1945 году.

Система, в которой использовалась вода из соседней реки Венсум и хладагент на основе диоксида серы, имела пиковую мощность 234 кВт и могла циркулировать воду по зданию электротехнического отдела при температуре 122–131°F (50–55°C).

В 1948 году Самнер также установил в домах 12 геотермальных тепловых насосов по распоряжению богатого британского филантропа лорда Наффилда и разработал аналогичную систему, которую он использовал для обогрева собственного дома в начале 1950-х годов.

В следующем году инженер сконструировал двухступенчатый газовый насос с использованием компрессоров, модифицированных из авиационных двигателей Merlin, которые использовали Темзу в качестве источника тепла для лондонского Королевского фестивального зала.

Как выразился гидрогеолог Дэвид Бэнкс: «Проект мощностью 2,5 МВт иногда называют неудачным, хотя не всегда ясно, что проблема заключалась в том, что на самом деле подается слишком много тепла».

Он объяснил, что насос подает «горячую воду с температурой до 82°C [180F]».

Однако, несмотря на эффективность этих систем, они не получили широкого распространения в Великобритании из-за относительной дешевизны ископаемых видов топлива, таких как уголь, а затем нефти и газа Северного моря, в отличие от стран Северной Европы, таких как Швеция, где развитие атомной энергетики реакторы в 70-х и 80-х годах способствовали переходу к эффективным методам нагрева с использованием электричества.

Как писал британский писатель Дж. Гордон Кук в журнале Spectator в 1948 г.: «В наши дни материального прогресса, когда науке как залогу нашего процветания уделяется так много словесных обещаний, кажется невероятным, что такое устройство, как тепло насос должен был ускользнуть от того внимания, которого он заслуживает».