Szeroko rozgłaszanego ocieplenia klimatu nie widać, a nawet, jeżeli średnia temperatura w ciągu kilkudziesięciu lat podniesie się o jeden stopień, prawie tego nie odczujemy. Zimą nadal będziemy z przyjemnością zasiadali w ciepłym pokoju, przed spokojnie dopalającym się kominkiem, lub będziemy planowali wyjazd w tropiki, aby choć na chwilę oderwać się od zwałów śniegu i zalodzonych dróg.
Przez długie wieki ludziom musiał wystarczać do ogrzewania otwarty płomień spalanego drewna a później węgla, którego spaliny trzeba było przechwytywać i odprowadzać kominem na zewnątrz. Spaliny z kominów, dym i sadza stawały się coraz bardziej uciążliwe dla mieszkańców miast i dopiero wprowadzone kilkadziesiąt lat temu ogrzewanie gazem oczyściło miejskie powietrze z zimowego smogu. Gaz początkowo wytwarzano z węgla w usytuowanych na uboczu miejskich gazowniach, później zaczęto się dowiercać do nieprzebranych zasobów gazu ziemnego.
Jeszcze do niedawna w Ameryce nie liczono się z kosztem ogrzewania. Drewna i węgla było (i jest) pod dostatkiem, a gaz i ropę naftową wydobywano stosunkowo niewielkim kosztem. Ludzi na Ziemi przybywa w dużym tempie. Bilans potrzeb i możliwości wydobycia surowców energetycznych jest bardzo zrównoważony i napięty. Każde wahanie dostaw lub zwiększenie potrzeb prowadzi do huśtawki cenowej.
Energia stała się ważną wymienną walutą świata. Energia jest zużywana ciągle i bezpowrotnie. Nawet niewielkie oszczędności, a w zasadzie zapobieganie jej marnotrawstwu to wymierne i znaczące w budżecie korzyści.
Dawne metody ogrzewania otwartym płomieniem, jakkolwiek nie wymagały drogich i skomplikowanych urządzeń, marnowały więcej energii niż jej pozyskiwały. Ogień w kominku grzał wprawdzie otoczenie, lecz aby płomień był podtrzymywany a dym nie zalegał w pomieszczeniu, w kominie musiał być wytworzony duży przepływ gorącego (unoszącego się w górę) powietrza. W tradycyjnych kominkach budowanych „na wyczucie”, ciepło oddawane do pomieszczenia było na ogół połową ciepła uzyskiwanego w procesie spalania. W obecnych konstrukcjach osiągana jest już sprawność 75%, porównywalna z kotłami centralnego ogrzewania.
Kominki mają jednak tę wadę, że do spalania pobierają ciepłe powietrze z pomieszczenia, co musi być uzupełniane zimnym zewnętrznym powietrzem przedostającym się do wnętrza przez wszystkie nieszczelności. Kominki grzały w twarz, ale dmuchały zimnem w plecy.
W nowoczesnych konstrukcjach instaluje się przy palenisku rury doprowadzające powietrze z zewnątrz, lecz trzeba pamiętać o ich zamykaniu, gdy kominek jest nieczynny lub już przygasa. Również komin powinien być zamykany tak zwanym szybrem, aby nie wentylował nadmiernie pomieszczeń. W wielu kilkudziesięcioletnich domach używane są jeszcze grzejniki gazowe z otwartym płomieniem. Nie są jednak ozdobą pomieszczeń a kłopoty z nimi są podobne jak z kominkami. Tam, gdzie można było zainstalować kanały powietrzne, wprowadzono ogrzewanie nadmuchowe. Jest to system najczęściej instalowany w nowych i w kompletnie przebudowywanych domach. Spotykamy te systemy na każdym kroku i wiadomo, że jest to piec gazowy (lub olejowy) z komorą spalania, której ścianki ogrzewają przedmuchiwane wentylatorem powietrze.
Ogrzewanie nadmuchowe jest bardzo efektywne, w nowoczesnych piecach nawet ponad 90% ciepła jest kierowane do wewnątrz. Spaliny są prawie całkowicie wychładzane a na wylocie nawet skrapla się para wodna. Otwory kominów są w tych piecach skierowane wylotem w dół. Ogrzewanie nadmuchowe może podnieść temperaturę pomieszczenia bardzo szybko, ale niedogodnością są wyczuwalne wahania temperatury i nadmierny ruch powietrza.
Współczesną modyfikacją systemów nadmuchowych jest dostosowywanie ich grzania do aktualnych potrzeb. Są to tak zwane systemy wielostopniowe (multi-stage) lub modulacyjne. Nadmuch powietrza nie może jednak być wspólny dla wielu mieszkań lub pokoi hotelowych. W takich budynkach, gdzie powietrze nie może być mieszane pomiędzy pokojami (ze względów sanitarnych) stosowane są systemy grzania radiacyjnego (promieniujące ciepło).
Najczęściej są stosowane grzejniki (kaloryfery) napełniane ciepłą wodą lub parą wodną. W zwartej zabudowie miast, opłacalne jest rozprowadzanie podziemnymi rurami ciepłej wody z elektrowni (elektrociepłowni). Przy produkcji energii elektrycznej wytwarzana jest duża ilość ciepła, tak zwanego odpadowego na wylocie turbin parowych. Ciepło to musi być usuwane albo do atmosfery (chłodnie kominowe) lub do rzek i jezior. Jest to jak gdyby ciepło darmowe, a kosztują jedynie rurociągi i wymienniki ciepła w domach. Awarie tej sieci, szczególnie w zimie, są jednak bardzo dokuczliwe.
Dużo bezpieczniejsze są instalacje indywidualne. W miastach amerykańskich przez długi czas instalowano „boilery”. Są to duże zbiorniki na wodę, umieszczane w piwnicach, w których woda grzana jest aż do zagotowania. Para wodna rozprowadzana jest rurami do kaloryferów w mieszkaniach, gdzie skrapla się oddając duże ilości ciepła. Niewielkie ilości pary są przez specjalne zawory uwalniane, nawilżając suche zimowe powietrze (kaloryfery „syczą”). Po pewnym, odmierzanym czasie gotowanie wody zostaje przerwane i ostudzona woda z kaloryferów powoli spływa do boilera. Ten typ kaloryferów ma tylko jedną rurę!
Zbyt gorące kaloryfery parowe są jednak niewygodne i niebezpieczne. Coraz częściej stosuje się kaloryfery wodne, przepływowe, w których woda nie jest tak gorąca a jej przepływ może być regulowany zaworem stosownie do potrzeb. Grzejniki lokuje się tam gdzie wygodnie, przy ścianach, przy podłodze („baseboard”) lub nawet zatapia się plastikowe lub miedziane rury w betonie podłogi. Ten ostatni system daje duży komfort, lecz awarie (wbicie gwoździa w podłogę) są niezwykle przykre.
Źródłem ciepła do ogrzewania wodnego radiacyjnego jest zwykle gaz, lecz spotyka się również systemy ogrzewania wody w ścianach kominka spalającego drewno lub w innego typu piecach – węglowych, olejowych, elektrycznych. Decydując się na ogrzewanie elektryczne, można grzejniki (lub przewody grzejące) umieszczać w sufitach, w ścianach i w podłogach. Promieniujące ciepłem otoczenie daje dużo większy komfort niż nadmuchiwane ciepłe powietrze.
Ogrzewanie elektryczne jest najwygodniejsze, lecz zarazem najdroższe. Wprawdzie grzejnik elektryczny nie ma żadnych strat ciepła – całość energii cieplnej wytworzonej przez prąd zostaje w pomieszczeniu, ale przy wytwarzaniu prądu straty są bardzo znaczne. Zgodnie z zasadami termodynamiki z energii cieplnej można uzyskać tylko część energii mechanicznej, energii ruchu.
Maksymalna sprawność obecnych turbin parowych sięga 60%. Sprawność kotła wytwarzającego parę to ok. 90%. Sprawność generatora prądotwórczego, transformatorów i dystrybucji prądu to ok. 70%. W rezultacie, z ciepła spalanego węgla, gazu lub ropy w elektrowniach, do domów dociera tylko ok. 40%. A w cenie prądu jest zawarte 100% wartości surowca energetycznego i amortyzacja bardzo kosztownego systemu.
Ogrzewanie elektryczne jest uzasadnione tylko tam, gdzie gaz nie dociera lub tam, gdzie używanie gazu stwarza zbyt duże niebezpieczeństwo (wieżowce i bardzo gęsta zabudowa). W przeszłości elektrownie dawały znacznie korzystniejszą taryfę dla domów wykorzystujących tylko elektryczność (a niekorzystających z gazu). Obecnie niską taryfę można uzyskać, gdy włącza się ogrzewanie tylko w godzinach małego zapotrzebowania na prąd (pozaszczytowych). Na czas przerwy w ogrzewaniu, ciepło musi być gromadzone w masywnych obudowach pieców akumulacyjnych.
W ostatnich latach coraz bardziej popularne jest wykorzystywanie elektryczności do „przepompowywania̶
1; ciepła. Zgodnie z zasadami fizyki ciepło jest wszędzie, mniej lub więcej, a zanika tylko w temperaturze zera bezwzględnego (około -º273C, -460ºF). Można, stosując odpowiednie „tricki”, pozyskać nieco ciepła z otoczenia o niskiej temperaturze (na przykład z zimowego powietrza za oknem), odpowiednio to ciepło „sprężyć” i wtłoczyć do pomieszczenia, które chcemy ogrzać.
Przy stosowaniu tej metody można, zużywając pewną ilość energii elektrycznej, przepompować kilka razy większą ilość energii cieplnej. Nie jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem i nie można w ten sposób uzyskać darmowej energii, bo gdybyśmy chcieli zamienić tę przepompowaną energię z powrotem na energię elektryczną, nie uzyskamy nic więcej niż zużyliśmy w pompie cieplnej.
Pompami cieplnymi są powszechnie używane w lecie air-conditioners. Wypompowują one nadmiar ciepła z pomieszczeń, wyrzucając to ciepło do cieplejszego powietrza zewnętrznego. Odpowiednio skonstruowane, mogą w zimie zabierać ciepło z zewnątrz i ogrzewać wnętrze domu.
Dużo korzystniejsze jest używanie, jako zewnętrznego zbiornika ciepła, czegoś cieplejszego niż zimowe powietrze. Bardzo sprawne są pompy cieplne, których zewnętrzna część wymiennika ciepła jest zanurzona w stawie lub rzece. Tam temperatura zimą nie spada poniżej 0ºC, a w lecie też jest dużo niższa niż temperatura powietrza. Nie każdy ma jednak „pod ręką” wodę. Powszechne stało się zakopywanie wymienników ciepła pod ziemią, tam gdzie temperatura jest niezależnie od pory roku 10-12ºC. Nazywane jest to błędnie systemami geotermalnymi, chociaż wcale nie jest w tych systemach wykorzystywane ciepło Ziemi.
Prawdziwe systemy geotermalne korzystają z głębokich odwiertów, gdzie temperatura podziemnych zbiorników wody osiąga ponad 100ºC. Nie gotuje się z uwagi na ogromne ciśnienie. Tylko w nielicznych miejscach na Ziemi występują te zbiorniki na głębokości mniejszej niż 1 km (między innymi w Yellowstone i na Islandii, gdzie tryskają gejzery). Na ogół trzeba wiercić 3 – 4 km, co jest wprawdzie osiągalne, ale kosztowne.
Woda wydobywana z tych złóż jest nasycona minerałami i po oddaniu ciepła musi być wtłaczana z powrotem. Wypuszczanie jej do strumieni powodowałoby dewastację środowiska. W Polsce jest już kilka miejsc, gdzie uzyskuje się ciepło z odwiertów do wód geotermalnych. Ilość uzyskiwanego ciepła może teraz wystarczyć do ogrzania 10 tysięcy mieszkań, lecz raczej ciepło to wykorzystywane jest w przemyśle. W najbliższych latach planuje się kilkukrotne zwiększenie potencjału instalacji geotermicznych.
Najbardziej znaną w świecie elektrownią geotermalną jest The Geyzers w okolicach San Francisco. Obecnie jej moc (750MW) zastępuje średniej wielkości elektrownię węglową, ale koszt eksploatacji wcale nie jest konkurencyjny z elektrowniami klasycznymi. Kilka elektrowni geotermalnych buduje się lub rozbudowuje w Niemczech, tylko dlatego, że przepisy prawne Unii nakazały skupowanie produkowanej w nich elektryczności po cenie 3 – 4 razy wyższej niż cena produkcji w klasycznych elektrowniach.
Potwierdza się dawno głoszona opinia specjalistów branży energetycznej, że pozyskiwanie tak zwanej alternatywnej energii (słonecznej, geotermalnej) jest dzisiaj opłacalne tylko wtedy, gdy wykorzystywana jest ona w postaci ciepła. Przetwarzanie jej na elektryczność jest zdecydowanie nieekonomiczne. (ami)
Redakcja
