Конструкторы ведут поиски наилучших способов отопления. Отопление жилищ - серьезная физико-техническая проблема. У этой проблемы есть свой научный фундамент, свои методы исследования, свои инженерные находки.
КАКОЙ ПРИБОР ЛУЧШЕ?
Как мы обычно оцениваем эффективность того или иного прибора или механизма? Почему, например, мы считаем, что тепловоз лучше паровоза, а электрическая лампочка лучше керосиновой?
В ответ вы наверняка произнесете три буквы «КПД» Коэффициент полезного действия - вот критерий эффективности, который заставляет предпочесть тепловоз паровозу, а электрическую лампочку - керосиновой. Чем выше КПД, тем лучше прибор или механизм.
Теперь попробуйте сравнить на основе того же критерия электроплитку, камин и батарею водяного отопления. Вы увидите, что здесь общепринятый критерий отказывается служить у всех перечисленных нагревательных устройств КПД равен 100 процентам - всю подведенную к ним энергию они без остатка превращают в тепло.
Связано это с тем, что среди всевозможных видов энергии теплота занимает поистине уникальное место.
ФИЗИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ ПЕРВОЕ.
ТЕПЛОТА
Начнем с нескольких задач, известных читателю еще со школьной скамьи.
Мяч падает с некоторой высоты на пол и затем подпрыгивает на высоту, несколько меньшую первоначальной. Механическая энергия мяча уменьшилась, часть ее куда-то исчезла. Куда?
Шар, получивший после удара кием некоторый запас кинетической энергии, скользит по бильярду. После одного или нескольких соударений с бортом шар останавливается. Куда делась его кинетическая энергия?
Сжатая пружина погружена в сосуд с кислотой. Через некоторое время пружина растворяется. Что стало с потенциальной энергией сжатой пружины?
Конечно же, ни в том, ни в другом, ни в третьем случае энергия никуда не исчезла. Закон сохранения энергии верен всегда. Энергия мяча, шара, сжатой пружины перешла в тепло. В итоге изменилась темпера тура мяча и пола, шара и бильярда, кислоты в сосуде.
Можно привести еще много примеров, иллюстрирующих переход различных видов энергии в тепло.
Конечно, можно рассмотреть и переход тепла в другие виды энергии. Но этот переход возможен лишь при наличии специальных устройств (тепловые двигатели, термоэлектрогенераторы, и т. д.). В тепло же любые виды энергии переходят, если можно так сказать, самостоятельно, без помощи извне. Вот почему теплота занимает уникальное место среди всех видов энергии. Теплота - это последняя инстанция всех энергетических превращений. Вот почему приходится отказаться от понятия КПД при рассмотрении нагревательных устройств.
Впрочем, среди вопросов, возникающих при отоплении жилья, способы получения тепла, применяемые в тех или иных нагревательных устройствах, являются не единственным и даже не главным моментом.
И не с них следовало бы начать разговор.
НЕ ХОЛОДНО И НЕ ЖАРКО
Пожалуй, именно так мы сформулировали бы основные требования к климатическим условиям в нашей комнате. Можно еще добавить желательно, чтобы в комнате было не сухо и не сыро, чтобы не дуло и был свежий воздух.
Эти требования специалистов объединяются одним термином - комфортные условия (см. цветную вкладку).
На первый взгляд они представляются довольно расплывчатыми. И правда, часто там, где одному холодно, другому жарко и где одному кажется, что сильно дует, другой мучается от недостатка свежего воздуха.
Однако в результате совместных работ теплотехников и гигиенистов были получены усредненные, объективные статистические данные о влиянии разных метеорологических условий на человека. Так появился первый критерий оценки эффективности теплового прибора - показатель дискомфортное™. Численно он равен проценту людей, которые испытывают неудобства при данных условиях.
Появилось понятие «дискомфортная зона». Так называется та часть помещения, где более 50 процентов людей чувствуют неудобства.
Взгляните на рисунок цветной вкладки, где дискомфортные области заштрихованы. Легко проследить их географию. Одна область находится около окна - здесь холодно, вторая - около батареи - здесь, наоборот, жарко. Общая площадь заштрихованных областей и дает нам размеры дискомфортной зоны.
Перечислим еще ряд критериев, используемых в теплотехнике. Они нужны для того, чтобы беспристрастным языком цифр ответить на важные вопросы. Сколько тепла можно получить с единицы длины прибора? Сколько металла идет на его изготовление? Долговечен ли прибор? Привлекателен ли? Прост ли в изготовлении и обращении? С точки зрения всех этих критериев и оценивают тепловые приборы и системы отопления.
Их много - системы водяные, воздушные, электрические, тепловые насосы, и т. д.
Чтобы судить об их достоинствах и недостатках со знанием дела, придется сделать
ФИЗИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ ВТОРОЕ.
МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА
Их три теплопроводность, излучение и конвекция.
Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, который показывает, с, какой скоростью распространяется тепло в материале. Например, коэффициент теплопроводности меди почти в тысячу раз выше, чем у стекла и в несколько десятков тысяч раз выше, чем у воздуха. Следует отметить, что теплопроводность является единственным механизмом передачи тепла по твердому телу.
Излучение тепловой энергии - свойство, которым обладают все нагретые тела. Количество излученной энергии зависит от качества излучающей поверхности и температуры.
И, наконец, конвекция. В основном благодаря ей тепло передается в жидких и газообразных телах. Основан этот механизм на том, что плотность газа или жидкости падает с ростом температуры. Поэтому, если источник тепла находится внизу, то примыкающие к нему слои жидкости или газа прогреваются, поднимаются вверх, на их место попадают более холодные слои и процесс повторяется. В результате такого многократного перемешивания прогревается вся масса жидкости или газа.
СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Простой и надежный, этот способ отопления наиболее распространен. Каждому знаком вид чугунных колончатых секций, соединенных в батареи.
При работе такого радиатора около 30 процентов энергии передается излучением, а остальные 70 - конвекцией (теплопроводность не в счет, так, как коэффициент теплопроводности воздуха ничтожен).
Один из двух основных недостатков радиатора - непрезентабельный внешний вид, а другой заключается в том, что у радиатора нет удобного устройства для регулирования теплоотдачи.
Более привлекателен панельный радиатор. Но он менее удобен, чем традиционная батарея (его нужно заправлять хорошо очищенной водой и не допускать опорожнения), и также лишен эффективных регулировочных устройств.
От этого недостатка свободен конвектор. Конвектор - это система ребер, насаженных на отопительную трубу. Ребра образуют каналы, через которые проходит нагреваемый воздух. В результате значительно (до 90 процентов) возрастает доля тепловой энергии, передаваемой путем конвекции, - , а конвективные потоки легко регулировать.
Конвектор можно окружить кожухом и тогда образуется конвективная шахта. Внутри кожуха помещен регулировочный клапан - пластина, с помощью которой можно либо открывать, либо закрывать каналы, изменяя конвективную тягу и тем самым регулируя теплоотдачу. Получается простое и достаточно эффективное устройство для регулировки температуры в помещении.
При закрытом клапане вода отдает меньше тепла, возвращается в котельную более нагретой и для повторного ее нагрева требуется уже меньше энергии. Экономия при этом достигает 5 - 10 процентов, что не так уж мало, если рассудить в масштабах страны.
Заканчивая главу, необходимо предостеречь читателя от опрометчивых выводов.
Было бы заманчиво сказать, что чугунный радиатор отжил свой век, что панельные приборы бесперспективны, и т. д.
Но дело в том, что проблема отопления очень сложна и многообразна. При детальном анализе выясняется, что каждый из вышеописанных приборов обладает большими достоинствами. Чугунный радиатор - самый долговечный из них. Панельные приборы самые простые в производстве они изготовляются штамповкой и прокаткой.
Так, что списывать эти приборы рано. И неспроста наряду с разработкой новых типов отопительных приборов идет совершенствование старых.
В последнее время наряду с системами водяного отопления все более широкое применение находят отопительные системы, более перспективные с точки зрения регулировки. Это
СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Здесь переносом тепла занимается воздух.
Воздух, прогретый до нужной температуры в специальных устройствах и очищенный в специальных фильтрах, либо движется по системе каналов самотеком, за счет своего пониженного удельного веса, либо нагнетается принудительно. Такие системы - они называются централизованными - не оправдали себя в жилых помещениях жильцы не могут регулировать температуру воздуха в своих квартирах. Сейчас централизованные системы применяются лишь в некоторых общественных зданиях, например, в школах.
В системах же, применяемых для обогрева жилых помещений, воздух предварительно подогревается в центральной камере до температуры около 14°С, а затем проходит через устройства доводки, стоящие при входе в каждую квартиру.
(Заметим, что от системы воздушного отопления один шаг до кондиционера нужно лишь предусмотреть возможность не только нагрева, но, и охлаждения, увлажнения и осушки поступающего воздуха. Однако для успешной работы кондиционера необходима герметизация стен и окон здания, что связано с особым подходом к его конструкции.)
Преимущества воздушных систем отопления перед водяными очевидны. Во-первых, такая система приносит в дом не только тепло, но, и свежий воздух, во-вторых, с помощью устройств доводки температуру поступающего воздуха можно легко регулировать, в-третьих, для его нагрева можно использовать воздух, уходящий из дома, что сулит немалую экономию.
По предложению НИИ сантехники один дом в Москве был оборудован системой воздушного отопления. Она отличается от вышеописанной в ней воздух с улицы попадает сразу в квартирный агрегат, где он очищается и нагревается. По отзывам жильцов система проявила себя вполне удовлетворительно и, освобожденная от некоторых недостатков, заслуживает широкого внедрения. Однако до сих пор выпуск оборудования для систем воздушного отопления не налажен и лишь поэтому мы еще не можем пользоваться их преимуществами.
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТОПЛЕНИЯ
В отличие от ранее рассмотренных название этих систем отражает не вид теплоносителя, а вид энергии, превращаемой в тепло.
Отметим сразу, что электрическая энергия не настолько дешева, чтобы превращать ее в тепло непосредственно. Переиначивая известное высказывание Д. И. Менделеева, протестовавшего против сжигания нефти, можно сказать, что топить электричеством - все равно, что топить ассигнациями.
Но нет правил без исключений.
Представьте себе, что крупная электростанция питает током ряд промышленных предприятий. Но работают они только днем. Ночью же станция загружена не полностью. Бремя от времени потребление энергии может падать и днем. А так, как работа с недогрузкой снижает эффективность станции и вызывает перерасход топлива (если станция тепловая), то, и возникла мысль использовать «внепиковую» энергию для отопления.
Конечно, отопление, действующее только ночью и изредка днем, вряд ли кого устроит. Следовательно, необходимо устройство, запасающее и затем отдающее тепло, нужен тепловой аккумулятор. Отопительная печь с аккумулированием тепла - это объемистый сердечник из материала с большой теплоемкостью, а внутри него - нагревательные элементы.
Электрические системы надежны в работе, легко регулируются и вполне могут найти применение в отдаленных районах, где дорого обходится доставка топлива, или на юге, где отопительный сезон короток и строительство котельных нецелесообразно.
Перспективно совместное использование водяных и электрических систем. Первые служат для создания некоторого «температурного фона», для поддержания минимальной температуры около 14°С, а вторые - для температурной доводки. Прообразами этих устройств могут послужить элегантные и удобные в регулировке электрические нагревательные приборы, выпускаемые нашей промышленностью. Они поистине незаменимы во время межсезонья, когда центральные отопительные системы либо еще не включены, либо уже выключены.
И все-таки, несмотря на отдельные преимущества, вряд ли можно ожидать повсеместного перехода на электрические системы отопления. Как уже говорилось, прямое преобразование электрической энергии в тепловую нерентабельно. Гораздо целесообразнее использовать электричество для отопления косвенным путем - с помощью термоэлектрических эффектов.
Так, как история их открытия и применения довольно длинна и поучительна, посвятим ей
ИСТОРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ О ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ
В 1821 году немецкий физик Зеебек, пытаясь обнаружить магнитные явления на стыке двух металлов, сделал открытие совсем другого рода. Он обнаружил следующее. Если составить электрическую цепь из разных проводников, а места их контактов поддерживать при разной температуре, то на свободных концах проводников образуется электродвижущая, а точнее - термоэлектродвижущая сила. Ток по цепи будет идти до тех пор, пока температуры спаев будут разными. Это явление получило название термоэлектричества.
Казалось бы, такой эффект должен был обратить на себя внимание. Ведь то было время, когда физики усиленно занимались взаимными превращениями различных видов энергии. Но случилось иначе. «Среди больших открытий Эретеда, Ампера и Фарадея, - писал академик А. Ф. Иоффе в 1953 году, - термоэлектричество привлекло мало внимания. А в дальнейшем применение его к измерению температур померкло по сравнению с электромагнитами, электрическими машинами и трансформаторами. Так оно и оставалось на задворках физики рядом с флюоресценцией, пьезоэлектричеством и другими мелкими фактами, украшающими курс физики эффектными лекционными опытами»
М. С. Соминский в своей монографии «Полупроводники» рассказывает о том, как «А. Ф. Иоффе взял из библиотеки Академии наук СССР том «Известий Прусской Академии наук» за 1822 г., в котором Зеебек опубликовал свою обстоятельную работу. Раскрыв том, Иоффе, к своему удивлению, обнаружил, что статья Зеебека оказалась неразрезанной, а, следовательно, непрочитанной. Она пролежала где-то на библиотечной полке 130 с лишним лет, прежде чем нашла своего читателя»
Поистине, незавидная судьба научного открытия!
Примерно такая же судьба постигла вначале и открытие другого выдающегося физика, француза Ж. Пельтье, сделанное в 1834 году.
Явление, получившее название эффекта Пельтье, можно было бы назвать обратным эффектом Зеебека. Наблюдается он в той же цепи из различных проводников - цепи Пельтье, как принято говорить. Суть эффекта Пельтье заключается в следующем, когда по такой цепи пропускают ток, температура спаев изменяется, причем в зависимости от направления тока она либо повышается, либо понижается.
Надо сказать, что эффекту Пельтье более повезло в смысле популярности, чем эффекту Зеебека. Опыты французского коллеги успешно продолжил русский физик Э. X. Ленц. Он научился так подбирать составные части цепи, что добивался замерзания капли воды на спае.
Дальнейшая судьба обоих открытий поистине поучительна. Она говорит о том, что нет «чистых эффектов», эффектов, пригодных лишь для демонстраций. Рано или поздно любой эффект, открытый физиком, находит применение в технике. (Хороший тому пример - те самые «демонстрационные эффекты», о которых упомянул А. Ф. Иоффе. Пьезоэлектричество работает в разнообразных датчиках давления или, скажем, в адаптере, который преобразует в звук неровности звуковой дорожки на граммофонной пластинке, а с флюоресценцией знаком всякий, кто наблюдал, как светится экран телевизора, покрытый слоем люминофора.)
Анализируя эффект Пельтье, А. Ф. Иоффе в 1948 году выдвинул идею создания термоэлектрических устройств для обогрева и охлаждения помещений.
Чтобы понять суть их конструкции, сделаем
ФИЗИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ ТРЕТЬЕ.
ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ
Пельтье проводил свои опыты со стержнями из висмута и меди. Если ток шел от висмута к меди, температура спая повышалась на несколько градусов, если же направление тока менялось - она падала.
Это явление объясняется тем, что носители тока в разных веществах обладают разной энергией. Если электроны переходят из вещества, где они обладают большей энергией, в вещество, где их энергия меньше (от меди к висмуту в цепи Пельтье), избыток энергии превращается в тепло и спай нагревается. При обратном направлении тока недостающая энергия заимствуется у окружающей среды и спай охлаждается.
Наиболее ярко эффект Пельтье проявляется при экспериментах со стержнями из полупроводников с разными типами проводимости - один с дырочным механизмом проводимости, другой - с электронным. Если ток направлен от дырочного полупроводника к электронному, то дырки и электроны движутся навстречу друг другу и в месте контакта рекомбинируют; при этом суммарная энергия электрона и дырки переходит в тепло, которое и выделяется на контакте. Противоположное направление тока связано с непрерывным образованием все новых пар электрон - дырка, причем сразу после рождения «напарники» начинают двигаться в противоположные стороны. На образование каждой пары необходимо израсходовать энергию, которая будет заимствоваться от окружающего пространства. Место контакта будет при этом охлаждаться.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
Развивая идеи А. Ф. Иоффе, группа советских ученых под руководством С. М. Лукомского разработала и создала в 1957 году оригинальные устройства, основанные на эффекте Пельтье и позволяющие обогревать или охлаждать помещения при минимальных затратах энергии. Они получили название полупроводниковых тепловых насосов. Что же это такое?
Схематическая конструкция теплового насоса изображена на рисунке справа. Это конструкция, состоящая из ряда полупроводниковых стержней - дырочных и электронных, соединенных последовательно. Часть контактов находится на улице (слева от пунктирной линии, обозначающей стену дома), часть - в комнате.
Что произойдет, если на такую систему подать разность потенциалов, как указано на рисунке? По зигзагообразной цепочке стержней пойдет ток, причем по каждому дырочному стержню в направлении тока побегут дырки (кружки со знаком плюс), по электронному в противоположном направлении - электроны (со знаком минус). Вглядевшись в эти потоки внимательнее, можно обнаружить, что начинаются они в контактах, расположенных на улице здесь электронно-дырочные пары рождаются, поглощая уличное тепло. В контактах, расположенных в комнате, электроны и дырки встречаются и, рекомбинируя, отдают все тепло, полученное на улице. Таким образом, под действием приложенной разности потенциалов тепло, как бы перекачивается из более холодной среды в более теплую. Поэтому подобное устройство и называется тепловым насосом.
Энергетические затраты на «перекачку» тепла невелики. Расчеты показывают, например, что при температуре 17° С в комнате, и 7° С на улице на один киловатт электрической энергии можно получить почти 30 киловатт тепла.
Стоп! Здесь, кажется, пахнет парадоксом. Отношение полученной тепловой энергии к затраченной электрической оказалось. большим 100 процентов! Не означает ли это, что КПД теплового насоса свыше 100 процентов? Не означает ли это крушения фундаментального физического принципа, гласящего, что коэффицент полезного действия всегда меньше единицы?!
Спешим успокоить читателя законы физики остаются в силе. Чтобы разобраться в возникшей парадоксальной ситуации, мы сделаем
ФИЗИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ ЧЕТВЕРТОЕ. КПД
Прежде всего заметим, что отношение полученной тепловой энергии к затраченной электрической - это вовсе не коэффициент полезного действия, и, чтобы подчеркнуть различие, это отношение в теплотехнике называют отопительным коэффициентом. Коэффициент же полезного действия по определению равен отношению полезной энергии ко ВСЕЙ затраченной. Определенный таким образом КПД всегда будет меньше 100 процентов. А к парадоксам приводит забвение выделенного слова.
Поясним это на простом примере. Представьте себе, что воду комнатной температуры нагревают электрокипятильником. Первый раз - в комнате и вода закипает через 20 минут. Второй раз - на солнечном балконе там вода закипает через 18 минут. Количество затраченной электрической энергии при этом меньше, чем в первый раз, а полезная энергия не изменилась. Так, что же, увеличился КПД кипятильника? Конечно, нет. Просто во второй раз была использована энергия солнечной радиации и при этом суммарная затраченная энергия не изменилась.
В этом примере источник дополнительной энергии очевиден. Так же очевиден источник энергии при работе ветряной мельницы или гидроэлектростанции. Поэтому не возникает мысль считать КПД ветряной мельницы или ГЭС равным бесконечности только потому, что на выработку энергии нам не нужно тратить ни усилий, ни средств.
С тепловым насосом дело несколько сложнее. Сложность прежде всего в том, что силы природы, которые мы рассмотрели в предыдущих примерах, хорошо известны и используются с незапамятных времен; что же касается теплового насоса, то здесь источником дополнительной энергии служит энергия окружающей среды в самом общем смысле слова. Мы заимствуем тепло, рассеянное в окружающем пространстве, энергию хаотического - теплового - движения молекул окружающей среды.
Если ветер дует не всегда, не всегда греет солнце, не везде текут реки, то тепло во внешней среде будет всегда, покуда не затихнет тепловое движение молекул вещества, а это произойдет лишь тогда, когда температура среды упадет до абсолютного нуля, до минус 273°С.
Сегодня еще почти не существует приборов, использующих тепло, рассеянное в окружающей среде. Можно назвать лишь тепловые насосы да инжекционные светильники, работа над которыми идет в настоящее время.
И в том и в другом случае мы имеем дело с эффектом Пельтье. Возможно, в будущем появятся и другие устройства, использующие тепло, рассеянное в окружающем пространстве.
Но никогда не появятся приборы, КПД которых будет больше 100 процентов. Поэтому, вычисляя КПД того или иного устройства, нужно очень тщательно следить, чтобы была учтена ВСЯ затраченная энергия. И если все же получится КПД больше 100 процентов, то это значит лишь, что в расчеты вкралась ошибка.
БУДУЩЕЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Вернемся к тепловым насосам.
Мы уже видели, что они могут перекачивать тепло из более холодной среды в более теплую и таким образом обогревать помещение. Но они хороши еще и тем, что в случае необходимости могут быть использованы для охлаждения жилища. Для этого нужно лишь изменить направление тока через устройство. Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать температуру в помещении.
Конструкцию теплового насоса, которую мы рассмотрели, специалисты называют «воздух - воздух». На том же принципе работает и тепловой насос «воздух - вода». От описанного он отличается тем, что тепло, передаваемое воздуху в комнате, отбирается от воды.
Удобны для этой цели вода от систем охлаждения компрессоров, генераторов, трансформаторов или естественные термальные воды (например, на Камчатке; расчет показывает, что эффективность теплового насоса тем выше, чем меньше разность температур, при которых поддерживаются различные спаи).
Описанные работы ведутся в Лаборатории полупроводниковых тепловых насосов при Энергетическом институте имени Кржижановского. Успехи ученых несомненны. Однако для того, чтобы поставить вопрос о внедрении тепловых насосов, нужно преодолеть еще много трудностей. Необходим поиск новых и дешевых полупроводниковых материалов для тепловых насосов; пока не решены вопросы их конструктивного оформления; еще довольно высока стоимость насосов.
И все-таки, будем надеяться, что будущее за электрическими системами. И не только потому, что они принесут массу удобств в наши дома (хотя и это немаловажно), но, и потому, что они могут оздоровить атмосферу, сделать гораздо чище воздух, которым мы дышим. Ведь проблемы очистки отработанного воздуха и утилизации продуктов сгорания гораздо легче решать на крупных электростанциях, нежели на малых ТЭЦ, и в котельных.
