26 апреля 2022 года.
В культовом фильме «Матрица» тепло тела невольных людей поглощалось машинами для использования в качестве источника энергии. Хотя это, возможно, не самая идеальная ситуация для нас, основа идеи — использование тепла, которое мы генерируем, для обогрева зданий — может помочь в борьбе с изменением климата, сократив использование ископаемого топлива.
Давайте посмотрим на науку. Среднее человеческое тело выделяет около 100 ватт тепла в состоянии покоя. При физической нагрузке это тепло может легко превысить 1 000 ватт: энергия, способная вскипятить литр воды за шесть минут. Для сравнения: стандартному (3 кВт) домашнему чайнику требуется более двух минут, чтобы нагреть литр воды.
Откуда берется эта энергия? В основном из пищи. Внутренний метаболизм организма использует продукты пищеварения, такие как углеводы и жирные кислоты, для производства энергии, которая приводит в движение мышцы. Однако около 70-95 % полученной энергии выделяется в виде тепла. Это говорит о том, что человеческий организм не очень эффективно вырабатывает механическую энергию из пищи: по сути, он чуть менее эффективен, чем бензиновый двигатель.
Большая часть этого тепла выводится из организма посредством конвекции, инфракрасного излучения и потоотделения, которое охлаждает кожу за счет испарения. Это объясняет, почему в очень жарких и влажных условиях вы не чувствуете себя комфортно — ваш пот не так легко испаряется в насыщенный влагой воздух.
С помощью инфракрасных камер мы можем видеть, как тепло переходит от тела к окружающей среде. Эти камеры отображают области повышенного тепла (где теряется больше тепла) более светлым цветом, а более холодные области — более темным, показывая нам, где теряется больше всего тепла.
Когда люди собираются в помещении, это тепло начинает накапливаться. Представьте себе театр на 500 человек. Если предположить, что каждый человек выделяет 100 ватт тепловой энергии, то это означает, что в целом будет выделяться 50 кВт тепла: это эквивалентно 25-30 средним кухонным чайникам, непрерывно кипящим водой.
Если эти люди физически активны — например, занимаются танцами, — то вместе они могут выработать 150 кВт тепла, или 3600 кВт/ч за 24 часа. Среднее домохозяйство в Великобритании потребляет около 1000 кВт/ч газа в месяц. Поскольку средний бытовой газовый котел имеет мощность около 30 кВт, всего 500 танцоров могут произвести энергию пяти газовых котлов.
Следующий вопрос — как это человеческое тепло лучше всего использовать для обогрева зданий. Обычно в зданиях используются системы вентиляции или кондиционирования воздуха для снижения температуры и улучшения качества воздуха. Это извлеченное тепло затем теряется во внешнюю среду, что приводит к растрате энергии. Вместо этого тепло толпы можно извлекать через механические теплообменники — устройства, передающие тепло из одной зоны в другую, — и использовать для нагрева приточного воздуха в соседних зданиях.
Более гибкий вариант — использовать тепловые насосы, которые напоминают реверсивные системы кондиционирования воздуха, перекачивающие тепло внутрь, а не наружу. Это тепло также может быть сохранено для последующего использования, например, в баллонах с водой или модифицированных кирпичах. Подобные технологии уже используются в центрах обработки данных, где значительные объемы тепла, выделяемые компьютерными сетями, необходимо отводить, чтобы избежать сбоев в работе системы.
Тепловая энергия в действии
Концепция систем обогрева тела уже стала реальностью в некоторых частях мира. В Швеции офисное здание Kungsbrohuset, расположенное над центральной станцией стокгольмского метро, уже частично отапливается теплом тела ежедневных пассажиров, проходящих через станцию, что позволяет сократить потребности в отоплении на 5-10 %. Тепловой насос извлекает тепло из станции, где оно накапливается в воде, которая используется для отопления офисов, расположенных выше.
Тем временем в торговом центре Mall of America в Миннесоте энергия солнечного света и тепло более 40 миллионов ежегодных посетителей заменили центральное отопление. А система BODYHEAT, которая в настоящее время устанавливается в центре искусств в Глазго, использует тепловые насосы для улавливания тепловой энергии посетителей клуба и хранения ее в подземных скважинах, которые будут обеспечивать здание теплом и горячей водой.
Я изучал систему отопления в театре Nottingham Playhouse, зрительный зал которого вмещает 750 человек. Мы обнаружили, что с увеличением количества зрителей внутри театра повышается и температура, а это значит, что в вечера с большим количеством зрителей центральное отопление можно отключать. Используя этот принцип, мы можем разработать «умные здания», способные регулировать отопление в зависимости от количества людей в помещении и ожидаемого повышения температуры. Это простое решение может быть использовано во многих типах зданий — даже в тех, где не установлены тепловые насосы.
Учитывая недавний рост цен на энергоносители и глобальное стремление к достижению нулевого уровня выбросов углекислого газа, подобные системы могут стать простым и революционным способом сокращения потребления ископаемого топлива и снижения счетов за электроэнергию за счет использования нерационального тепла, наполняющего оживленные общественные места.
Автор — Амин Аль-Хабайбех, профессор кафедры интеллектуальных инженерных систем Ноттингемского университета Трента.
