Подморозить вечную мерзлоту

Использование тепловых насосов с регулируемой мощностью вместо аккумуляторов снизило стоимость охладительных установок на солнечной энергии на 44%. Эти устройства становятся популярны в северных регионах, где их используют для сохранения вечной мерзлоты. При этом несколько маломощных тепловых насосов, использующих энергию от солнечных батарей на охлаждение грунта, оказались на 30–35% эффективнее одного высокомощного.

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 Рифуджо 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. 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. 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, Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (Архангельск) и Федеральной политехнической школы 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, — они 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 теплого сезона, появилась возможность отказаться от свай, а значит, ускорить и удешевить строительство на вечной мерзлоте», — рассказывает руководитель проекта 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.

По материалам пресс-службы РНФ