Пионер геотермального отопления: инженерное решение Роберта Уэббера

В конце 1940-х годов американский инженер-холодильщик Роберт Уэббер (Robert Webber) реализовал проект, который сегодня можно назвать первой в мире действующей системой геотермального теплоснабжения жилого дома. Его подход, основанный на адаптации стандартного холодильного оборудования для задач отопления, на десятилетия опередил массовое внедрение этой технологии и заложил основы современного направления в климатической технике.

Роберт Уэббер начал свою карьеру в 1929 году с практической работы по монтажу и обслуживанию холодильных машин. К 1932 году, занимаясь проектами по производству морозильников в Indianapolis Power & Light Company, он обратил внимание на то, что компрессоры установок выделяют значительное количество тепла — температура паров хладагента на стороне нагнетания могла достигать 84 °C, однако эта энергия никак не утилизировалась. Последующая работа над холодильным оборудованием для крупного рыболовного судна-рефрижератора позволила Уэбберу детально изучить поведение холодильных машин в различных режимах и укрепила его понимание практической термодинамики.

Первый эксперимент

Проводя работы по модернизации собственной морозильной камеры, Уэббер обнаружил, что температура нагнетательного патрубка компрессора достаточно высока, чтобы вызвать ожог при прикосновении. В отличие от рядового пользователя, Уэббер воспринял этот нагрев не как неизбежную потерю, а как полезный энергетический ресурс.

Первоначально он подключил к морозильнику дополнительный теплообменник и получил объем горячей воды, превышающий потребности домохозяйства. Затем, пропуская эту воду через второй теплообменник с вентилятором, Уэббер организовал подачу подогретого воздуха в помещения, что позволило снизить расход угля в основном отопительном котле.

Убедившись в работоспособности схемы утилизации тепла конденсации, Уэббер поставил задачу найти стабильный источник низкопотенциальной тепловой энергии для работы испарителя в зимний период. Очевидным решением стал грунт, температура которого на глубине ниже уровня промерзания (в его регионе — Индиана, США) сохраняется в диапазоне 4–10°C круглогодично.

Проектирование первой геотермальной системы

На своем участке Уэббер развернул экспериментальный контур сбора тепла. Он пробурил скважину глубиной 15 метров и проложил траншеи, в которые уложил 122 метра медной трубы диаметром ~19 мм. Таким образом был создан грунтовый теплообменник, где роль рабочего тела выполнял хладагент (в документах того времени упоминается Freon, вероятно R12). В качестве компрессорного агрегата использовался переделанный компрессор мощностью 3 л.с., размещенный в подвале дома.

Работа системы Уэббера основывалась на классическом парокомпрессионном цикле: жидкий хладагент, проходя по трубам в грунте, отбирал тепло от окружающего массива и испарялся; образовавшиеся пары отсасывались компрессором, где при сжатии их температура повышалась; затем горячий газ направлялся в теплообменник-конденсатор, расположенный в подвале, где, конденсируясь, отдавал теплоту фазового перехода в систему отопления (предположительно, воздушную); после прохождения через дросселирующее устройство давление и температура хладагента снижались, и цикл замыкался. Данная схема, сегодня известная как система с прямым расширением (DX), была реализована Уэббером в ее классическом виде. Система обеспечивала поддержание температуры в доме на уровне 24° C, и вскоре после запуска владелец демонтировал угольный котел как более не требующийся.

Значение работы

Инженерное решение Уэббера примечательно не столько технической сложностью (она относительно невелика), сколько системным подходом к использованию низкопотенциального тепла грунта. Он корректно применил термодинамический цикл холодильной машины для решения задачи отопления, правильно подобрал компоненты и практически подтвердил работоспособность концепции.

Хотя установка Уэббера, вероятно, имела ряд недостатков — медные трубы в грунте подвержены коррозии, а прямое расширение требует точного расчета заправки хладагента и несет риски для компрессора при возврате жидкости, — она стала первым успешным примером использования геотермального теплового насоса именно для комфортного отопления. Сегодня, когда геотермальные тепловые насосы демонстрируют коэффициенты COP на уровне 4–5, а отрасль имеет развитые стандарты проектирования, заложенные Уэббером принципы остаются неизменными: сбор низкопотенциального тепла грунта, повышение его температурного потенциала за счет сжатия и передача в систему отопления. Его эксперимент доказал, что тепло земли может быть практичной альтернативой сжиганию ископаемого топлива в условиях индивидуального жилого дома.