Использование тепловых насосов поможет сохранить вечную мерзлоту
Из-за климатических изменений увеличивается количество тепла, поступающего на планету с солнечными лучами. Повышение температуры приводит к таянию вечной мерзлоты в северных регионах. В результате грунт становится нестабильным и менее прочным, что приводит к повреждению и обрушению зданий и сооружений. Например, таяние вечной мерзлоты изменило морфологию почвы в Альпах, в результате чего в 2016 году деформировался фундамент Рифуджио Казати — четырехэтажного здания, используемого альпинистами в качестве места для отдыха. Кроме того, из-за роста температуры люди тратят все больше электричества на охлаждение помещений.
В ответ на усугубление этой энергетической проблемы ученые разработали «охладители» на солнечных батареях. Эти устройства используют солнечную энергию для замораживания грунта и охлаждения помещений. Так, солнечная батарея генерирует энергию, за счет которой тепловой насос качает воду и охлаждает фреон — хладагент, использующийся в кондиционерах и холодильниках. Холодный фреон отбирает тепло у грунта. При этом в яркий день избыточная энергия запасается в аккумуляторах и используется позже, например в облачную погоду. Однако высокая стоимость аккумуляторов мешает массовому использованию «охладителей». Поэтому исследователи предложили установку с тепловым насосом, который работает с разной частотой в зависимости от объемов вырабатываемой энергии. Такую нагрузку называют адаптивной. Так, в яркий день насос работает на полную мощность, а в облачный, когда энергия генерируется в меньшем количестве, — слабее. Тем не менее, остается неясным, какие установки выгоднее использовать в северных регионах: на аккумуляторах или с насосами, работающими с разной частотой.
Ученые из Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва), Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (Архангельск) и Федеральной политехнической школа Лозанны (Швейцария) проверили эффективность охладительных установок на солнечных батареях в зависимости от принципа их работы и наличия аккумуляторов. Для этого авторы использовали разнообразные метеорологические данные с временным разрешением в один час, собранные в северной Норвегии в течение года. С помощью расчетов исследователи сопоставили погодные условия с качеством работы устройств.
Адаптивные установки с тепловым насосом показали большую эффективность, чем классические аналоги с аккумуляторами. Так, адаптивные системы снизили стоимость охлаждения на 44%, сохранив качество промерзания почвы. При этом замена одного теплового насоса высокой мощности на много маленьких маломощных увеличила время работы системы на 30–35%, так как установка начинала генерировать энергию при меньшем освещении. Устройство работало в более широком диапазоне освещенности, что улучшило качество промерзания почвы. Несмотря на то, что системы без аккумуляторов работали лучше, ученые считают, что аккумуляторы небольшой емкости могут улучшить работу установки в плохую погоду. В таком случае даже в дождь установки продолжат охлаждать грунт за счет запасенной в аккумуляторах энергии.
«В дальнейшем мы планируем построить установку для стабилизации береговых обрывов и создать для Арктики технологию строительства на легких фундаментах. Поскольку мы сильно уменьшили слой грунта, который оттаивает в течение теплового сезона, появилась возможность отказаться от свай, а значит, ускорить и удешевить строительство на вечной мерзлоте», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Локтионов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник С(А)ФУ имени М. В. Ломоносова.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Energies.