Новый экспериментальный агрегат химико-адсорбционного типа, рассчитанный на десять киловатт, предназначен для утилизации вторичного тепла с промышленных объектов и превращения его в холод. На данный момент этот образец уже выведен на этап опытной эксплуатации.
Ирина Петрова
Электрохимическая компрессорная установка. Источник: KIMM
Оригинальный тепловой насос
Объединённая команда исследователей из корейского института KIMM и представители университета Чунан разработали оригинальный тепловой насос, который способен перерабатывать низкопотенциальное тепло напрямую в охлаждающий эффект. Инновационность разработки заключается в том, что она позволяет задействовать бросовые тепловые сбросы, которые ранее просто рассеивались в воздухе.
Дата-центры, равно как и заводские цеха, вынуждены тратить колоссальные объёмы электричества на поддержание рабочей температуры оборудования. При этом тепловые выбросы низкого потенциала, выбрасываемые в атмосферу, никем не используются. Подобная ситуация характеризуется колоссальной неэффективностью, и корейские специалисты намерены изменить этот подход при помощи своей новой установки.
В рамках проекта институт создал сам насос, функционирующий на отходящем тепле с производств и серверных. Университет Чунан, в свою очередь, разработал электрохимический компрессор, работающий практически бесшумно и без вибраций. Завершающим этапом стала сборка десятикиловаттного прототипа, которую выполнила фирма Samjung Tech, чтобы наглядно показать возможности этой технологии.
Ключевым преимуществом является отсутствие шума и механических колебаний. Классические адсорбционные системы охлаждения требуют источника тепла с температурой не ниже семидесяти градусов, а обычные кондиционеры используют громоздкие и энергозатратные компрессоры механического типа.
Новая же установка демонстрирует работоспособность при температуре теплоносителя всего сорок градусов. В основе схемы лежит хемосорбция в сочетании с тихим электрохимическим сжатием, что позволяет отказаться от тяжёлого вибрирующего оборудования и перейти к компактному и эффективному охлаждению.
Насос на отходящем тепле с лучшими показателями холодопроизводительности
Примечательно, что благодаря глубокой переработке конструкции адсорбционного слоя удалось достичь наилучшего мирового показателя удельной холодопроизводительности на уровне 346,5 Вт на килограмм. Такое структурное усовершенствование увеличивает тепловую отдачу и позволяет снимать больше холода с единицы массы вещества. Этот результат более чем вдвое превосходит зарубежные аналоги и делает возможным создание более компактных установок для утилизации тепла.
В качестве хладагента используется природный аммиак. Это даёт возможность полностью исключить синтетические вещества наподобие фреонов, которые негативно влияют на озоновый слой и усиливают парниковый эффект. Аммиак же, напротив, безопасен для озона и имеет ничтожный показатель воздействия на глобальное потепление, что полностью согласуется с ужесточающимися экологическими нормами. Благодаря этому система становится «зелёной» технологией, снижающей выбросы парниковых газов и при производстве энергии, и при использовании хладагентов.
Параллельно с техническими усовершенствованиями ведутся работы над повышением долговечности и надёжности системы. Хемосорбционные материалы, используемые в качестве рабочего тела, со временем могут деградировать под воздействием циклических нагрузок, что неизбежно сказывается на эффективности. Поэтому исследователи уделяют особое внимание подбору стабильных химических соединений и оптимизации режимов работы адсорбционного слоя. Цель — достичь ресурса работы не менее десяти лет непрерывной эксплуатации без существенной потери производительности.
Учитывая, что аммиак является агрессивной средой, особое внимание уделяется коррозионной стойкости внутренних элементов компрессора и теплообменников. Эти работы уже сейчас дают результаты: экспериментальные образцы демонстрируют стабильность характеристик на протяжении более чем трёх тысяч циклов включения-выключения, а это существенно превышает показатели зарубежных аналогов с традиционными механическими компрессорами.
Прототип химического адсорбционного насоса мощностью 10 кВт. Источник: KIMM
Адаптация агрегата под разные предприятия
Следующим логичным шагом в развитии технологии станет адаптация установки под различные типы промышленных предприятий. Не секрет, что температурные режимы и объёмы тепловых сбросов сильно различаются в зависимости от отрасли: металлургические комбинаты производят избыточное тепло с одними параметрами, химические заводы — с другими, а центры обработки данных — с третьими.
Модульная конструкция электрохимического компрессора, разработанная командой KIMM и университета Чунан, уже сейчас позволяет масштабировать систему под конкретные нужды заказчика. Однако настоящим прорывом станет создание универсальных блоков, которые можно будет настраивать под температурный диапазон от 30 до 70 градусов Цельсия без серьёзной переделки конструкции. Инженеры уже работают над этим, стремясь создать «конструктор» для инженерных служб, который позволит собирать установку нужной мощности из стандартизированных ячеек.
Ещё одним важным аспектом является интеграция новой технологии с системами возобновляемой энергетики. Поскольку электрохимический компрессор потребляет крайне мало электроэнергии (основным источником энергии служит само тепловое излучение), он может эффективно работать в связке с солнечными панелями или небольшими ветрогенераторами.
Например, в жарких регионах, где солнечная активность максимальна, а потребность в охлаждении особенно остра, такая связка позволяет практически полностью отказаться от внешнего электроснабжения для систем кондиционирования.
Это открывает широкие перспективы для строительства автономных зелёных зданий — от жилых комплексов до производственных помещений, — где потребление энергии из общей сети будет сведено к минимуму. В перспективе нескольких лет подобная технология может стать стандартом для стран с тропическим и субтропическим климатом, где стоимость электроэнергии часто становится серьёзным барьером для экономического развития.
Тестирование прототипа
Промышленные объекты ежедневно производят массу тепловых сбросов с температурой около 40 градусов. Ранее такой потенциал считался слишком низким для полезного применения. Сегодня же подобные тепловые отходы становятся основой для функционирования систем кондиционирования.
Сейчас десятикиловаттный образец находится на этапе демонстрационных испытаний. Параллельно инженеры разработали усовершенствованный аммиачный компрессор с увеличенной площадью рабочих элементов. Это приближает бесшумную технологию к практическому внедрению в помещениях, где уровень шума критичен — больницах, учебных заведениях и жилых зданиях. Конструкция компрессора модульная: для наращивания мощности достаточно добавить несколько новых ячеек, не прибегая к замене массивных корпусов.
Исследовательская группа, Ен Ким — второй слева. Источник: KIMM
По словам доктора Ён Кима, главного исследователя KIMM, самое важное достижение — это доказательство возможности охлаждения с использованием отходящих газов температурой всего сорок градусов. Сейчас команда сосредоточена на испытаниях прототипа, результаты которых станут основой для дальнейших изысканий и подготовки к полевым тестам. По мере приближения технологии к коммерциализации она сулит значительную экономию электроэнергии для дата-центров и заводов и сокращение углеродных выбросов в мировом промышленном секторе.
Экономический эффект и перспективы
Экономический эффект от внедрения подобных систем сложно переоценить. Традиционные промышленные предприятия и дата-центры тратят до 40% всей потребляемой электроэнергии именно на охлаждение оборудования. Если тепловые насосы, работающие на бросовом тепле, станут массовым продуктом, это позволит не только сократить счета за электричество, но и снизить нагрузку на энергосети в пиковые летние периоды.
Представьте себе современный дата-центр: серверы выделяют тепло, которое ранее приходилось отводить с помощью мощных кондиционеров и вентиляторов. Теперь же это тепло можно направить обратно в систему, преобразовав его в холод для тех же серверов. Замкнутый цикл, в котором отходы одного процесса становятся ресурсом для другого, — это фундаментальный сдвиг в подходе к промышленной энергоэффективности, который обещает сократить эксплуатационные расходы на 30–50% в зависимости от конкретного объекта.
Наконец, успешная коммерциализация этой разработки способна кардинально изменить глобальный рынок климатического оборудования. Сегодня он фактически поделён между производителями традиционных компрессорных кондиционеров, использующих синтетические хладагенты.
Появление бесшумных, виброустойчивых и экологически чистых тепловых насосов, работающих на аммиаке, создаст серьёзную альтернативу устаревшим решениям. Особенно это актуально в свете подписания Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, которая требует поэтапного отказа от гидрофторуглеродов — класса веществ с высоким потенциалом глобального потепления.
Установки, подобные разработанной в KIMM, уже сегодня соответствуют самым жёстким экологическим нормативам 2030-х годов, что делает их привлекательными для компаний, стремящихся заранее подготовиться к новым регуляторным требованиям.
Остаётся лишь дождаться завершения полевых испытаний и выхода технологии на массовый рынок, что, по оценкам экспертов, произойдёт в ближайшие три-пять лет. Потенциальный экономический эффект от этого для мировой промышленности оценивается в сотни миллиардов долларов в год, не говоря уже о значительном снижении углеродного следа планеты.