Начиная примерно с 1550 года и продолжаясь до конца 1600-х годов, Англия переживала энергетический кризис. У них заканчивалась древесина, которая была основным источником топлива для отопления жилых и коммерческих помещений. Англии также требовалось много древесины для своего огромного военно–морского флота – для постройки одного из самых крупных военных кораблей потребовалось около 2000 деревьев. В результате они перешли на уголь, который обладает высокой плотностью энергии и прекрасно подходит для отопления. Однако у него есть немаловажная проблема – он сильно загрязняет окружающую среду, из-за чего крупные города, такие как Лондон, тонут в черном дыму. Это продолжалось вплоть до 20-го века, кульминацией которого стал великий лондонский смог 1952 года.
В мире по-прежнему сжигается много угля для выработки тепла, но, как правило, не в домах. Есть и другие варианты, особенно там, где живут люди. Мы можем вырабатывать тепло, используя более экологически чистые источники топлива, такие как природный газ. Мы также можем генерировать тепло с помощью электрического сопротивления, не загрязняя окружающую среду напрямую (только при производстве электроэнергии, которое, скорее всего, происходит вдали от пользователя). Тепло также может быть получено из отработанного тепла и подано в здания. Или тепло может передаваться от одного источника к другому с помощью теплового насоса.
Переход к более эффективным и экологичным методам производства тепла, по меньшей мере, так же важен для минимизации глобального потепления, как и выработка экологически чистой электроэнергии. Около половины мировой энергии используется просто для производства тепла, что превышает любые другие виды использования (производство электроэнергии составляет 20%, а транспортировка – 30%). Таким образом, обезуглероживание производства тепловой энергии, возможно, более важно, чем обезуглероживание производства электроэнергии или транспорта, хотя, конечно, все они важны.
Две технологии, вероятно, окажут наибольшее влияние на обезуглероживание производства тепловой энергии. Во-первых, это сбор отработанного тепла при производстве энергии и других промышленных процессах. Для этого требуется производить энергию в непосредственной близости от места, где требуется тепло, что является еще одним преимуществом более распределенного, а не централизованного производства энергии. Сбор отработанного тепла необходимо проектировать заранее для любой установки, которая будет вырабатывать много тепла. Например, центры обработки данных тратят много энергии только на охлаждение всех этих компьютеров. Это тепло можно использовать с пользой.
Помимо перенаправления отработанного тепла, наиболее эффективным методом отопления является тепловой насос. Это связано с тем, что тепловые насосы не вырабатывают тепло, а просто перемещают его из одного места в другое. Все, что необходимо, – это источник тепла и теплоотвод, которые находятся при разных температурах, и чем больше разница температур, тем эффективнее процесс. Тепловые насосы извлекают тепло за счет сжатия, перемещая хладагент через источник тепла, а затем сжимая хладагент для повышения его температуры. Затем хладагент проходит через радиатор для отвода части тепла, затем расширяется, охлаждается и снова проходит через источник тепла. Система работает на электричестве, но эффективные системы могут обеспечить в 3-4 раза больше тепловой и электрической энергии, чем они используют (опять же, потому что они перемещают тепло, а не создают его).
Таким образом, тепловые насосы чрезвычайно энергоэффективны. Газовые котлы, напротив, на 75-85% эффективнее преобразуют энергию природного газа в тепло. Электронагреватели, по сути, на 100% эффективнее преобразуют электричество в тепло. Это высокая эффективность в качестве источника тепла, но сравните ее с эффективностью теплового насоса в 400%. Это бесспорно.
Системы тепловых насосов могут использовать различные источники тепла. Для большинства домов подойдут геотермальные тепловые насосы. Трубы закапываются в землю горизонтально или вертикально, достаточно глубоко, чтобы температура грунта была стабильной. Температура грунта колеблется от 45°F (7°C) до 75°F (21°C), что, вероятно, будет теплее, чем температура воздуха зимой, и прохладнее летом. Это будет зависеть от местных условий, которые и определят, какой тип системы лучше всего использовать. Кроме того, такие системы можно использовать как для охлаждения, так и для обогрева – просто переключите поток в обратном направлении.
Для зданий, расположенных вблизи источника воды, будь то на поверхности или под землей, источником тепла может быть вода. Тепловые насосы также могут быть установлены на заводах, производящих отработанное тепло, для извлечения этого тепла для использования в зданиях.
В дополнение к тепловым насосам для жилых помещений все чаще в больших и малых городах устанавливаются централизованные тепловые насосы. Дома, как правило, используют системы мощностью в киловатты. Эти районные тепловые насосы вырабатывают мегаватты тепла. Мощность самого большого отдельного теплового насоса составляет 30 мегаватт, но существуют также системы с тепловыми насосами, объединяющие несколько тепловых насосов меньшего размера. Они могут обогревать тысячи домов. Эти централизованные тепловые насосы обладают определенной эффективностью за счет масштаба, к тому же отдельные дома избавлены от затрат на установку собственной системы (единственным недостатком домашней системы теплового насоса является то, что первоначальные затраты могут быть высокими по сравнению с другими системами отопления). Использование этих систем в сочетании с экологически чистым источником электроэнергии может стать важной частью любого плана по обезуглероживанию.
Суть в том, что тепловые насосы – это эффективный и экологически чистый способ удовлетворения потребностей в отоплении как жилых, так и коммерческих помещений без использования топлива только для получения тепла. В системе достаточно тепла – нам просто нужно его распределить. Это особенно эффективно, когда мы перемещаем тепло из нежелательного места (например, из центра обработки данных) в нужное место (например, в холодное здание зимой). Тепловые насосы могут обеспечивать температуру до 200 °C, что также полезно для многих промышленных целей. Замена нашей отопительной инфраструктуры на тепловые насосы, возможно, так же важна, как перевод нашего сектора производства энергии и транспорта на низкоуглеродный. Опять же, половина всей энергии, которую использует человек, используется для выработки тепла. Не все из этого можно заменить тепловыми насосами, но многое можно.
