Низкопотенциальное тепло грунтов под многолетней мерзлотой может служить для отопления жилищ народов Севера

Введение

Тепловую энергию поверхностных и приповерхностных слоев Земли, даже если она невелика, можно повысить с помощью тепловых насосов и использовать в системах отопления домов [6], в том числе и в арктических районах. Тепловые насосы можно применять и для охлаждения – например, для защиты многолетнемерзлых грунтовых оснований от теплового воздействия зданий и сооружений, поскольку их оттаивание приводит к деформациям фундаментов и разрушениям надфундаментных конструкций.

Во многих развитых странах мира, в том числе в Швеции, Норвегии, Финляндии, Дании, геотермальные теплонасосные системы теплохладоснабжения используются очень широко и их внедрение поддерживается государственными дотациями. В России же такая помощь не оказывается и объем применения низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных и приповерхностных слоев Земли очень низок. Наша страна, к сожалению, занимает в этом отношении одно из последних мест в мире.

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относится и тепло поверхностных и приповерхностных слоев, в нашей стране сдерживается из-за наличия огромных запасов нефти и газа. Однако теперь уже есть четкое понимание конечности этих запасов, поэтому в настоящее время значение ВИЭ не отрицается, но и экономические стимулы для их массового внедрения пока отсутствуют.

Запасы такого возобновляемого и экологически чистого источника энергии, как низкопотенциальное тепло поверхностных и приповерхностных слоев Земли, неисчерпаемы с точки зрения продолжительности существования человеческой цивилизации, и их использование возможно почти повсеместно.

В арктической зоне температурный режим грунтов и подземных вод, подстилающих толщу многолетнемерзлых пород, формируется под воздействием внутреннего тепла Земли и может быть источником тепловой энергии для отопления зданий. Исходно этой энергии недостаточно для обогрева дома, однако с помощью геотермального теплового насоса ее можно эффективно использовать для отопления и экономить ценное органическое топливо – древесину, уголь, газ, солярку и т.д.

Тепловой насос сам по себе не вырабатывает тепло, а лишь трансформирует тепловую энергию с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. Конечно, при этом он затрачивает электроэнергию, однако весьма экономно по сравнению, например, с непосредственным ее использованием для отопления жилищ. Коэффициенты полезного действия тепловых насосов чрезвычайно высоки, если их не использовать в грунтах с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии). Отношение полезной тепловой энергии к затраченной электроэнергии (коэффициент преобразования теплового насоса) иногда достигает 3 и более. Экономия электроэнергии при этом доходит до 75% и выше. Следует отметить, что для работы тепловых насосов может использоваться не только электрическая, но и механическая энергия и другие ее виды, например энергия ветротурбины или двигателя внутреннего сгорания [8].

Современные технологии по утилизации тепла поверхностных и приповерхностных слоев Земли с помощью тепловых насосов являются экологически чистыми. При их использовании отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, дым, неприятные запахи, шумы, вибрации, к тому же обеспечивается пожаро- и взрывобезопасность.

Помимо отопления домов низкопотенциальное тепло грунтов, залегающих под многолетней мерзлотой, может быть использовано для горячего водоснабжения, предотвращения обледенения конструкций, подогрева полей на открытых стадионах, обогрева дорог в зимнее время и т.д.

В России наибольшую роль в изучении возможностей использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных и приповерхностных слоев Земли сыграли исследования Г.П. Васильева (например, [2]).

Принцип работы системы теплоснабжения на основе теплового насоса

В теплонасосных системах, использующих тепло грунтов, существует три основных замкнутых контура – внешний (грунтовый теплообменник), внутренний (в самом теплонасосе) и отопительный (система отопления здания). В них циркулируют определенные жидкости с помощью циркуляционных насосов, работающих от электросети или иных источников энергии. Рассмотрим один из типов таких систем, который подходит для использования в северных регионах.

Все начинается с бурения вертикальной скважины до уровня, более глубокого, чем подошва многолетнемерзлой толщи (это может быть одна скважина глубиной 50–200 м или несколько менее глубоких и более дешевых – главное получить общую расчетную глубину). Скважина закрепляется (обсаживается) металлическими трубами. Затем в нее опускается U-образный грунтовый теплообменник – две вертикальные пластиковые трубы, соединенные между собой внизу (иногда в одной скважине параллельно используются два или три таких теплообменника). Эти трубы заполняются теплоносителем внешнего контура – жидкостью с очень низкой температурой замерзания (антифризом). А пространство между ними и стенками скважины ниже многолетнемерзлой толщи заполняется специальными теплопроводящими материалами. Для небольшого дома может быть достаточно и одной скважины с теплообменником, а для более крупных зданий их может потребоваться больше (но на определенных расчетных расстояниях друг от друга).

Теплоноситель, проходя по внешнему контуру, нагревается от грунта с положительной температурой на несколько градусов и поступает к испарителю теплового насоса, где за счет разницы температур отдает тепло внутреннему контуру, заполненному рабочей жидкостью с очень низкой температурой кипения, называемой также хладагентом или хладоном. На современном этапе используются хладагенты, которые не содержат хлоруглеводородов и других вредных для здоровья человека и окружающей среды компонентов.

При получении тепла и низком давлении, обеспечиваемом в испарителе, хладон закипает, переходит в газообразное состояние и подается в компрессор теплонасоса. В компрессоре этот пар сжимается и его температура растет. Нагретый пар поступает во внутренний теплообменник (конденсатор), где он отдает тепловую энергию теплоносителю отопительной системы, нагревая его до 35–70 градусов, и при этом конденсируется. Вновь перешедший в жидкое состояние хладагент проходит через редукционный (дроссельный) клапан, в результате чего его давление понижается и, соответственно, он становится еще более холодным. После этого хладон снова поступает в испаритель. Затем цикл повторяется (рис. 1, 2). Таким образом, подобный тепловой насос – это как бы холодильник наоборот. Его работа основана на тех же физических явлениях, что и работа холодильника или кондиционера [3, 5, 7, 8].

Рис. 1. Принцип работы теплового насоса, соединенного с теплообменником с одной стороны и системой отопления здания с другой стороны [5]

Рис. 2. Схема работы теплового насоса, соединенного с U-образным вертикальным грунтовым теплообменником с одной стороны и системой отопления здания с другой стороны [8]

Наилучшее решение проблемы отопления жилищ коренных малочисленных народов Арктической зоны РФ

К коренным малочисленным народам Арктической зоны РФ относятся народы, которые издревле населяют земли, расположенные выше полярного круга (66 град. 33 мин. с.ш.), имеют численность не более 50 тысяч и осознают себя как самостоятельные этнические общности. Они сохраняют традиционные образ жизни, хозяйствование и промыслы. Это кольские саами, ненцы, ханты, эвенки, юкагиры, чукчи, коряки и др.

Согласно исследованиям, выполненным Кольским научным центром Российской академии наук, в Арктической зоне РФ проживает около 68 тысяч человек, относящихся к коренному малочисленному населению. К сожалению, для их жизни и ее условий сейчас характерно следующее:

• безработица, низкий уровень жизни, ограниченный доступ к услугам социальной сферы, ослабленная анатомо-физиологическая адаптация, повышенный уровень заболеваемости, низкая рождаемость, высокая смертность, отток населения (например, численность населения города Певек Чукотского автономного округа в 1989 году составляла 12 915 человек, а в 2017 году она уже была только 4 547 человек);
• сокращение биологических ресурсов и площади территорий традиционного природопользования, загрязнение окружающей среды из-за активного промышленного освоения северных районов (прежде всего из-за работы нефтегазодобывающей отрасли), а также радиоактивное загрязнение Арктики и изменение климата [1, 4].

Природно-климатические условия арктической зоны очень суровы. Прежде всего это длительные и чрезвычайно холодные зимы и распространение многолетней мерзлоты. Поэтому одним из главных внешних жизненных ресурсов коренных малочисленных народов Севера является тепло.

На закупку топлива для обогрева жилищ затрачиваются средства муниципальных образований и личные денежные средства населения. И хотя во многих северных поселках имеются котельные для централизованного теплоснабжения, они в большинстве своем устарели и работают с серьезными перебоями.

Рис. 3. Модель устройства теплонасосной системы обогрева дома с U-образным вертикальным грунтовым теплообменником [7]

Для отопления зданий используются органические материалы – дрова, древесные отходы, уголь, газ в баллонах, дизельное топливо. Эти виды топлива пожароопасны или даже взрывоопасны, при их сгорании происходит загрязнение воздуха. Более того, обогрев получается некачественным из-за недостатка у людей денег и ветхости их домов.

Хорошим решением проблемы было бы обеспечение жилищ северных народов экологичным и дешевым теплом путем установки теплонасосного оборудования. В этом случае электрической энергии потребуется немного, а крупные средства, расходуемые на закупку и доставку топлива, будут сэкономлены и их можно будет пустить на другие неотложные нужды населения. Конечно, внедрение теплонасосных систем потребует предварительного утепления ветхих домов, а иначе их устройство не имеет смысла.

При этом будут обеспечены чистота воздуха, пожаро- и взрывобезопасность, повысится качество жизни людей и снизится заболеваемость. Важно также, что при утеплении жилищ и создании новых систем обогрева появятся дополнительные рабочие места. И все это в целом будет способствовать созданию устойчивой среды обитания.

Несмотря на то что для устройства теплонасосных систем требуются повышенные единовременные капитальные вложения (по сравнению с созданием традиционных систем отопления), издержки при их эксплуатации являются достаточно низкими. Как правило, единовременные затраты в этом случае окупаются за 6–9 лет. К тому же важным преимуществом систем на основе теплонасосов является их автономность, поскольку к объектам их действия не надо подводить никаких трубопроводов.

Вместо заключения

Научно-производственная фирма «НЕДРА» в которой работает автор, как и многие другие, была бы готова взять на себя работы по использованию в Арктике низкопотенциального тепла грунтов, залегающих под многолетнемерзлой толщей, для отопления жилищ коренного малочисленного населения, но только при наличии финансовой поддержки.

Однако опыт компании показывает, что на государственные дотации рассчитывать не приходится. Государство будет помогать только в случае возможности получения прибыли от использования возобновляемых источников энергии, что в ближайшие годы практически невозможно. Поэтому здесь можно было бы надеяться только на помощь инвесторов. Хотелось бы, чтобы они нас услышали.

Список литературы

1. Архангельский И.В. Радиоактивное загрязнение Арктики // Геоинфо. 25.07.2018. URL: http://www.geoinfo.ru/product/arhangelskij-igor-vsevolodovich/radioaktivnoe-zagryaznenie-arktiki-38043.shtml.
2. Васильев Г.П. Теплоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. М.: Граница, 2006.
3. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли // Официальный сайт некоммерческого партнерства инженеров ABOK. Дата обращения: 18.11.2018. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1991.
4. Корчак Е.А. Коренные народы Севера в государственных арктических стратегиях // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=10096.
5. Половинкина Е.О. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий и сооружений // Официальный сайт компании «Гео-Комфорт». Дата обращения: 18.11.2018. URL: http://geo-comfort.ru/images/PDF/Teplovie%20nasosy/Statyi%20po%20teplovym%20nasosam/7781.pdf.
6. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. М.: Изд-во ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», 2001.
7. Тепловые насосы как основной элемент энергосбережения // Арктика online. 01.01.2014. URL: http://arktika-online.ru/index.php?ukey=news&blog_id=32.
8. Ширяев Р.C. Энергия тепла земли как источник отопления. Используемые грунтовые теплообменники и схемы теплоснабжения // Аква-Терм. 2016. № 2. URL: http://www.turbinist.ru/page,2,49657-energiya-tepla-zemli-kak-istochnik-tepla-ispolzuemye-gruntovye-teploobmenniki-i-shemy-teplosnabzheniya.html.

Заглавное фото: национальный поселок Рыркайпий на берегу Чукотского моря (https://aloban75.livejournal.com/1611086.html)