Adam Cebula	Para-nauka i obok
	strona 27

Półprocenty

Można się zdziwić, czym zajmują się inżynierowie. Na przykład wojną o to, by poprawić działanie jakiegoś urządzenia o ułamek procenta. Zazwyczaj z punktu widzenia przeciętnego zjadacza chleba cała sprawa nie jest warta funta kłaków. A tymczasem całe poważne instytuty zajmują się znajdowaniem, na przykład, optymalnego kształtu dla samochodu. Jeśli obecny jest prawie optymalny, to fajnie, ale być może znajdzie się jakiś ciut lepszy. Te zagadnienia optymalizacji bywają koszmarnie skomplikowane, albowiem, na przykład, dla małych prędkości, dla których opór powietrza jest do pominięcia, najlepiej byłoby samochód pozbawić części karoserii, żeby nie tracić energii na wożenie blach. Dla większych prędkości karoseria jest wręcz niezbędna dla zapewnienia stabilności pojazdu. Trzeba znaleźć kompromis, który zależy od tego, jak ludzie jeżdżą często szybko, jak szybko, na jakich odcinkach, jak często średnio szybko, i tak dalej. Optymalizacji podlega nawet kolor karoserii bo jaskrawą trzeba częściej myć, lecz jest lepiej widoczna, a bura, która zachlapana nie razi od razu, naraża właściciela nieco bardziej na rozjechanie. Ponieważ na to wszystko nakłada się decyzja żony (bywało, że kolor samochodu dobierano pod kolor wieczorowej sukni), zagadnienie staje się tak złożone jak długoterminowa prognoza pogody w tropikalnych rejonach odwiedzanych przez tornada.

Dziedziną, w której już od kilkudziesięciu lat trwa dzielna wojna o procenty sprawności, jest zawodowa energetyka. Mało kto wie, że na wylocie elektrowni, obojętnie konwencjonalnych czy jądrowych, temperatura wynosi zaledwie 17-20 stopni Celsjusza. Oznacza to, że sprawność takich maszynerii może zależeć o pogody. Im cieplej, tym ona jest mniejsza. Procenty także burzą w głowach ekologom. Gdy wojują o budowę wiatraków, to chodzi o uzyskanie z wiatru jednego, dwóch procentów zużywanej energii elektrycznej. Pomińmy tym razem rozważania, czy to ma sens. Istotne jest to, że naprawdę wojna idzie o pojedyncze procenty.

Jednym z najchętniej podejmowanych tematów jest od kilku lat dom energooszczędny. Chodzi o to, by indywidualny użytkownik nie marnotrawił dramatycznie energii. O to naprawdę chodzi, nie o nadzwyczajne oszczędzanie, bowiem zazwyczaj gwóźdź programu to nie wynalezienie jakichś niezwykle odkrywczych procesów, lecz zrobienie tego, co w przemyśle robi się już od dawna. I od razu, na ekologiczne entuzjazmy kubeł zimnej wody, dlaczego tak to opornie idzie. Bo się nie opłaca. Instalacje grzewcze, na ten przykład, są optymalizowane pod względem kosztów z uwzględnieniem czasu eksploatacji. Po jakimś czasie albo trzeba zrobić remont, albo opracowywana jest nowa technologia i na złom trzeba wywalić, na przykład, piec centralnego ogrzewania. Ot, tyle. W związku z tym, nie może on kosztować za wiele, a więc nie może być dowolnie skomplikowany. Nie można zamontować w nim wszystkich wynalazków świata, musi być rozsądnie prosty, gdyż czas jego eksploatacji i tym samym amortyzacji trzeba jakoś rozsądnie ograniczyć.

Pomimo jednak owej dramatycznej uwagi, postanowiłem się zająć nieco takimi bardzo wątpliwymi z ekonomicznego punktu widzenia pomysłami. Dlaczego? Bo wiele rzeczy, które jeszcze całkiem niedawno wydawały się kosmicznymi absurdami, zaczynają, dzięki postępom technologii, schodzić na ziemię. Całkiem jeszcze niedawno wydawało się kompletną durnotą stosowanie w normalnym życiu baterii słonecznych. Nie powiem, żeby mi udało się zastosować, lecz udało mi się nie ponieść na nich zasadniczych strat, co więcej, mogę nawet sobie wyobrazić rozsądne zastosowanie panelu, który nabyłem za jedyne 20 PLN.

Jeszcze całkiem niedawno technologia budowlana nie pozwalała nawet marzyć o takim czymś, jak kontrola ruchu powietrza w mieszkaniu. A tu masz babo placek, dziś właściwie żadna wymiana powietrza nie odbywa się bez naszego zezwolenia. Nawet jeśli o tym, którędy naprawdę ono łazi, wie tylko projektant, to w każdym razie technicznie sprawa jest całkowicie pod kontrolą.

W dziedzinie ogrzewania mieszkań, kilkanaście lat temu, prawdziwym zaskoczeniem, nawet dla starych wyjadaczy, były kotły niskotemperaturowe. Zaskoczenie było tym większe, że producenci chwalili się sprawnościami rzędu 110%. Czyli, że dostarczali perpetuum mobile... Przyczyna tkwiła w anachronicznych polskich normach i tym, że po wschodniej stronie Łaby pewne rozwiązania uznano za techniczne absurdy. Mianowicie, zdefiniowano coś takiego jak wartość opałową, w odróżnieniu od ciepła spalania. Rzecz polega na tym, że zwłaszcza, gdy palimy węglowodory, w komin ulatuje para wodna. No i ci, na tym zgniłym podówczas Zachodzie, łakomie na ów składnik patrzyli, bowiem ciepło skraplania pary wodnej wynosi jakieś 583 kcal/kg, mniej więcej 1/10 tego, co udaje się zgodnie z polską normą wydusić z kilograma dobrego węgla. Para i generalnie spaliny generują tak zwaną stratę kominową. Ciepło, które mogłoby ogrzać mieszkanie, ulatuje w powietrze. Tak więc wymyślono, że obniży się temperaturę spalin tak bardzo, że para wodna ulegnie skropleniu i odda swe ogromne ciepło przemiany fazowej. Jak wielkie jest to ciepło, to można sobie uświadomić, że mniej więcej 1 g skroplonej wody ogrzewa 1 metr sześcienny powietrza o 1 stopień Celsjusza. Ponieważ w polskiej normie opałowej nie było możliwe skraplanie pary wodnej, to okazało się, że piece pracujące w takim reżimie oddają więcej ciepła z paliwa, niż wynosi jego wartość opałowa. No i tak powstała ta sprawność 110%.

By nie było za fajnie, oczywiście nie cała woda zostaje skroplona. Ile jej ulatuje, zależy od tak zwanej prężności pary nasyconej w danej temperaturze. Jednak temperatura na wylocie kotła niskotemperaturowego wynosi zaledwie około 40 stopni Celsjusza i tę resztę w zasadzie możemy sobie darować. Do kotłów i strat kominowych za chwilę wrócę, ale przejdźmy teraz do jeszcze niższych temperatur.

Zamarzanie wody jest procesem bardzo ciekawym: nie dosyć, że prowadzi ono do wzrostu objętości substancji, to jeszcze przy okazji następuje wydzielenie się sporej ilości ciepła. Jest to tak zwane ciepło utajone, albo po prostu ciepło przemiany fazowej. Jest tego sporo, 80 kcal/kg w starej nomenklaturze, czyli tyle, ile potrafi oddać litr wody ogrzany do 80 stopni Celsjusza i ochłodzony do 0 stopni. Problem z tym ciepłem jest taki, że proces jego oddawania zachodzi w temperaturze niższej od zera stopni Celsjusza, woda musi bowiem zamarzać a coś, co odbiera od niej ciepło, musi być od niej choć trochę zimniejsze.

Istnieją substancje, które krzepną w temperaturach wyższych, niestety, nie są tak powszechne i łatwe do zastosowania. Woda jest o tyle łakomym materiałem, że jest powszechnie dostępna. Czy jednak są jakiekolwiek szanse na wyduszenie jakichś sensownych zysków z takiej instalacji? To, co się narzuca jako rozwiązanie, to pompa cieplna. Nie jest to jednak najlepszy pomysł, bo pompa cieplna potrzebuje energii elektrycznej do zasilania. Poza tym instalacja staje się droższa. Warto się nieco pogłowić, jak ominąć takie technologicznie zaawansowane rozwiązania.

Jak ogrzewane są domy? Wiadomo, coś się pali, dziś najczęściej mamy centralne ogrzewanie, to coś nagrzewa wodę, ta płynie przez kaloryfery i ogrzewa dom. A dlaczego dom wymaga ogrzewania? Pytanie pozornie jest głupie. Można je sformułować inaczej: ile ciepła ucieka którędy z domu? Przyjmuje się że połowę stanowią straty na przewodnictwo cieplne przez ściany, okna, sufity i podłogi, połowę na wentylację. O ile pierwszy składnik można właściwie dowolnie ograniczyć, jeśli tylko nie liczyć się z kosztami wykonania izolacji, to składnik drugi jest bardzo kłopotliwy: w mieszkaniu musi istnieć wymiana powietrza, bo inaczej ludzie w środku zaczną się dusić.

Gdy chodzi o izolowanie ścian, to nie ma kłopotu, także i finansowego, gdyż dziś materiały ocieplające są tanie i bardzo dobrej jakości. Znamy wiele metod budowania izolacji termicznych. W zasadzie jest na to wszystko prosta recepta: im więcej warstw, tym lepiej. Ciekawostką może być zastosowanie folii aluminiowej. Mimo tego, że samo aluminium jest znakomitym przewodnikiem ciepła, ustępuje tylko srebru i miedzi, to folia aluminiowa znakomicie przeciwdziała wypromieniowywaniu ciepła. Możliwe jest wykonanie bardzo cienkich warstw. Ponieważ przewodnictwo cieplne jest wprost proporcjonalne do grubości materiału, a ilość ciepła wypromieniowywanego zależy tylko od tego, jak gładka jest powierzchnia, więc z cienkich warstw możemy otrzymać znakomity materiał izolacyjny.

Kłopot stanowią okna. To temat na osobny artykuł. Myślę, że jednak w przypadku domku energooszczędnego można założyć, że będą miały zwyczajnie małą powierzchnię. Co więcej, można je zaopatrzyć w okiennice z materiału izolacyjnego.

W rezultacie takich operacji możemy otrzymać domek ,,termos’’. Dokładniejsze obliczenia mogą pokazać, że opłaci się zrezygnować z okien na rzecz elektrycznego oświetlenia. Można mieszkanie tak zaizolować, że naprawdę nie będzie potrzebował ogrzewania, do utrzymania temperatury wystarczy ciepło wydzielane przez urządzenia i przez ludzi, którzy stanowią grzałki o mocy około 200 watów. Z takimi informacjami widać, że pytanie, dlaczego trzeba ogrzewać domy zamiast zaizolować je tak dobrze, żeby to nie było potrzebne, wcale nie jest takie głupie.

Jednak, jak już powiedzieliśmy, musi być wymiana powietrza. W dawnym budownictwie ilość i powierzchnia otworów, którymi hulał zimny wiatr, była zawsze znacznie większa, niż moglibyśmy sobie życzyć. Dlatego pierwszym sposobem w starszych domach na zmniejszenie strat jest, po pierwsze, pozatykanie wszystkich dziur i kontrolowanie przepływu. Tak na marginesie: ludzie uparcie stosują do tego celu wszelkiego rodzaju "ciepłe" materiały: koce, watę, stare ubrania. Powietrze znakomicie przez nie przechodzi i cała operacja psu na budę się zdaje. Osobiście wypróbowałem, z rewelacyjnymi skutkami, do uszczelniania mocno powichrowanych okien stare worki foliowe. To działa naprawdę i to lepiej, nawet znacznie, jak specjalne gumowe uszczelki.

Obecnie trzeba stosować specjalne kratki wentylacyjne w oknach: bez nich są praktycznie całkowicie szczelne. No a co dalej?

Kolejnym naturalnym (z punktu widzenia inżyniera) krokiem jest założenie wymiennika ciepła. W takim wypadku oczywiście nie ma wietrzenia przez okna, ale poprzez to coś. Jest to dość ciekawe i bardzo proste w działaniu urządzenie. W technice stosowane od bardzo dawna. Idea działania jest taka: przez dwa stykające się ze sobą przewody, których ścianki dobrze przewodzą ciepło, płyną przeciwbieżnie nośniki ciepła. W naszym wypadku może to być powietrze wyrzucane z domu i powietrze wdmuchiwane do niego. Dzięki temu, że ruch jest przeciwwietrzny, powietrze wpływające do domku ma szansę ogrzać się do temperatury bliskiej temperaturze powietrza wypływającego. Jednocześnie powietrze wyrzucane ochłodzi się do temperatury bliskiej tej, jakie ma powietrze wchodzące do wymiennika ciepła. Temperatury wyrównałyby się, gdyby długość rur była nieskończenie wielka.

Wymiennik ciepła to, w najprostszym wykonaniu, układ rur, które stykają się ze sobą dużą powierzchnią ścianek (nie są więc okrągłe). Tymi rurami płyną przeciwbieżnie nośniki ciepła.

Wymienniki ciepła są dziś jednymi z najbardziej nowatorskich urządzeń w instalacjach wentylacyjnych. Jak podają firmy, pozwalają oszczędzić około 30 (w niektórych materiałach firmowych stoi 85) procent energii potrzebnej do ogrzewania domu. To jest całkiem łakomy kąsek. Niestety, aby osiągnąć takie wyniki, nie wolno w zimie otwierać okien, w każdym razie nie na dłużej niż kilkanaście minut. Muszą także długo pracować wentylatory napędzające powietrze. Powiedzmy sobie także szczerze, że ceny oferowanych urządzeń są ciut wysokie i chyba nie dla oszczędnych. Skoro jednak założyliśmy sobie, że nie koszty będą zasadniczą sprawą, to z satysfakcją odnotowujemy, że możemy sobie poradzić także z wentylacją.

Skoro o pojedynczych procentach mowa, to trochę arytmetyki. Gdy na dworze mamy minus 5 stopni Celsjusza a w domu, dla równości, 20 stopni, to każdy stopień różnicy temperatur daje nam 4% w ilości dostarczonej energii. To oznacza tyle, że nawet z pozoru zupełnie dziwaczne urządzenia mogą przynieść zdecydowaną poprawę wyników oszczędzania.

Kolejnym jest podziemna komora. To urządzenie grzewcze znane jeszcze z zamków średniowiecznych. Tam ową komorą były lochy (piwnice z winami). Przechodzące przez nie powietrze ogrzewa się do temperatury gruntu, jakieś plus 4 stopnie Celsjusza. Pod kilkoma skórami niedźwiedzia da się wytrzymać. W naszym przypadku owa komora może dostarczać powietrza do wymiennika ciepła. Intencja tej operacji jest taka: nie możemy zrobić dowolnie długiego wymiennika. Ponieważ będą w nim straty, więc dostarczymy do niego powietrze o nieco wyższej temperaturze, wówczas podniesie się temperatura powietrza wychodzącego z wymiennika. Nie będzie to wiele, ale może się udać bardzo wiele zaoszczędzić na ogrzewaniu. Wynika to z takich kalkulacji: jeśli chcemy mieć w domu +20 stopni Celsjusza, powietrze wylatujące z wymiennika ma 15 stopni (wartość szacowana), to trzeba je ogrzać o 5 stopni. Jeśli uda się podnieść temperaturę tego powietrza tylko o 1 stopień, to na ogrzewanie potrzebujemy o 20% mniej energii. Myślę, że jest to przekonujące.

Nasza maszyneria w lecie, w klimacie kontynentalnym, może pełnić rolę klimatyzatora. Wówczas powietrze przepływające przez podziemną komorę będzie ogrzewać jej ściany. Przy odrobinie wysiłku otrzymamy akumulator ciepła: grunt wokół naszej komory będzie nieco cieplejszy niż wynosi średnia temperatura gruntu. Jeśli tylko lochy znajdą się dostatecznie głęboko (kilka metrów) pod ziemią, letnie ciepło dotrwa w nich przynajmniej do pierwszych chłodów.

Następny patent powstał w mojej głowie w czasie, gdy zmarzłem podczas awarii (permanentnej) centralnego ogrzewania w początkach swojej pracy.

Wyobraźmy sobie tak zwane przeciętne zimowe warunki. Zależą one oczywiście od szerokości geograficznej, ale powiedzmy, że mamy na zewnątrz około minus 10 stopni Celsjusza. Powietrze o takiej temperaturze mrozi wodę bardzo skutecznie. Ogrzejemy więc je zamarzającą wodą. Maszynerię do tego celu wyobraziłem sobie tak: mamy szereg zamkniętych rynien z wodą w prostokątnej obudowie, umieszczone jedna nad drugą. Powietrze wlatuje z dołu, ogrzewa się od rynien i unosi do góry. Rynny przesuwają się wolno w dół. Gdy woda w rynnie całkowicie zamarznie, rynna przechodzi do przestrzeni znajdującej się pod obudową. Tam jest zanurzana w pojemniku z wodą, aby odmarzł lód od ścianek. Następnie lód jest wyrzucany z rynny i wpada do silosu. Rynna wraca do obudowy na samą jej górę, gdzie jest napełniana wodąj i cykl się powtarza.

<— Ogrzewacz na lodzie.

Co zyskujemy? Powiedzmy, że zasilamy tym "ogrzanym" powietrzem nasz loszek. Dzięki temu podziemna komora ma kontakt z powietrzem o temperaturze powiedzmy nie minus 10, a minus 3 stopnie Celsjusza. Więc także powietrze, które ją opuści, będzie miało nieco większą temperaturę. Zyskamy zapewne kilka stopni, ile, zależy to od szczegółów technicznych, ale energetycznie się opłaci. Jest także kolejny powód: co prawda grunt można uważać za nieskończony zbiornik ciepła, ale na skutek bardzo marnego przewodnictwa cieplnego ściany naszej piwniczki, którą w lecie nieco nagrzaliśmy, szybko się wychłodzą, przynajmniej do średniej temperatury gruntu . Potrzebny byłby niezłej długości tunel, żeby skompensować straty ciepła.

Jak więc widać technicznie, pomysł z zamrażaniem wody w instalacji klimatyzacyjnej ma sens. Oczywiście zupełnie inną sprawą jest cena rozwiązania.

Można oszacować ekologiczne skutki takiego rozwiązania. Zazwyczaj wentylacja musi zapewnić kilkukrotną wymianę powietrza w ciągu godziny w pomieszczeniu. Dla małego domku o powierzchni 70 m kwadratowych i wysokości 2,5 metra pomieszczeń i przy założonym podgrzaniu powietrza o 7 stopni, urządzenie wyprodukuje ok. 4,5 litra lodu. Przy trzykrotnej wymianie powietrza w pomieszczeniu, zapotrzebowanie na wodę wyniesie 324 litry na dobę. W wyniku pracy z taką średnią wydajnością przez 60 dni na posesji zgromadziłoby się jakieś 20 metrów sześciennych lodu. Byłby to już pewien kłopot, taki lodowiec, zwłaszcza złożony na gracką kupkę, nie zechce samodzielnie stopnieć wraz z wiosennym odwrotem śniegów. Poleży pewnie do czerwca, ale nie koniecznie, jest to fatalna okoliczność. Zanim jednak zajmiemy się tą kolejną fantazją energetyczną, słowo o czymś, moim zdaniem, całkiem praktycznym.

Ekstrawaganckie ogrzewanie domku.

1 Wielka kupa lodu.

2 Wlot zimnego powietrza.

2a Wylot powietrza z nagrzewnicy.

3. Ekstrawagancka nagrzewnica z rynnami z zamarzającą wodą.

4. Rura z wodą, którą napełniamy rynny.

5. Zbiornik z wodą.

6. Podziemna komora.

7. Wymiennik ciepła.

8. Wentylator.

9. Przydomowa szklarenka, do której kierujemy odpadowe powietrze z naszego domku.

W naszej instalacji musimy uwzględnić jeszcze jakieś dodatkowe, klasyczne źródło ciepła o niewielkiej mocy, które uzupełni straty. Nie jest jednak ono konieczne, jeśli domowe urządzenia (pralka telewizor) produkują go dostatecznie dużo.

Z klasycznej instalacji grzewczej także da się coś niecoś jeszcze wydusić. Pomysł pewnie powinienem opatentować, bowiem w przeciwieństwie do wszystkich innych ma on jedną zasadniczą zaletę: najprawdopodobniej da się tu zaoszczędzić na inwestycji. Potrzebujemy tylko szczelnych pomieszczeń, w których nie ma niekontrolowanej infiltracji. Dowcip polega na tym, by ogrzewać powietrze wchodzące do domu, czyli zimne. Wykonujemy to za pomocą właściwie zwykłego kaloryfera, lecz pracującego tak, jak powinien pracować wymiennik ciepła: strumień powietrza i wody biegną przeciwbieżnie. Co zyskujemy? Możemy tą metodą drastycznie zmniejszyć w rezultacie stratę kominową. Trzeba tylko dopilnować, by woda w piecu centralnego ogrzewania biegła także przeciwnie do kierunku ruchu spalin (czyli konieczna jest pompa, która wymusi ruch z góry w dół w kierunku palników). Ideę pomysłu widzimy na rysunku. Dzięki wymiennikowi ciepła, woda docierająca do pieca może być bardzo zimna. Tu wpisałem sobie plus 5 stopni Celsjusza, lecz można sobie wyobrazić, że przy temperaturze otoczenia minus 20 stopni Celsjusza, wymienimy wodę na niezamarzający płyn chłodniczy i osiągnie ona, powiedzmy, minus 10 stopni Celsjusza. Dopływa ona do pieca i obiera ciepło od spalin. Jeśli w zwyczajnym kotle niskotemperaturowym mamy na wylocie 40 stopni Celsjusza, to w takiej instalacji możemy zejść nawet do temperatur ujemnych. Wówczas trzeba tylko pilnować, żeby nam szron nie zatkał komina. Nie tylko skroplimy prawie całą wodę w spalinach, ale może nawet zamienimy ją w lód i odbierzemy od niej ciepło zamarzania wody: pobite zostaną kolejne rekordy sprawności. Aby jednak nie popadać w zbytnią euforię, warto zauważyć, że skoro początkowa temperatura spalin wynosi ok. 700 stopni Celsjusza, to urywając ze straty kominowej kilkadziesiąt stopni, zyskamy kilka procent ciepła, może ciut więcej ze względu na skroploną wodę, jednak tylko ciut. Rozwiązanie jednak, moim zdaniem, może się opłacić z zupełnie innego powodu. Ponieważ wchodzące powietrze ma niską temperaturę, to odpuszczając nieco z wyśrubowanych minimalnych różnic temperatur pomiędzy wodą i powietrzem, mamy szansę oszczędzić na wielkości kaloryferów. Ponieważ możemy tu dostać większe różnice temperatur niż w przypadku grzejnika umieszczonego wewnątrz pomieszczenia (gdzie temperatura nie jest niższa niż ok. 20 stopni Celsjusza) to wymiana ciepła na jednostkę powierzchni może być odpowiednio większa, a więc obrazowo mówiąc, można zmniejszyć liczbę żeberek. Oczywiście kaloryfer przeznaczony do pracy w takim urządzeniu powinien mieć specjalny kształt. Ciekawostką jest to, że choć nadmuch jest konieczny, to w przypadku dużych mrozów, może się udać uruchamiać na naszej maszynerii swego rodzaju silnik turbinowy. Powietrze wchodzące do naszej nagrzewnicy ma przy ogrzaniu o 27 stopni objętość ok. 10% mniejszą niż wychodzące. Jeśli więc umieścimy na jednej osi śmigła wentylatora na wlocie i wylocie urządzenia, nieco większe na wylocie, to ciepła strona będzie napędzała zimną. Może więc się to kręcić samo, a nawet oddawać energię.

Jak to coś zaaplikować w konkretnym domu, to już kwestia kombinacji, wspomnianych na wstępie optymalizacji: czy jedna nagrzewnica i rozprowadzenie powietrza kanałami, czy wiele nagrzewnic umieszczonych w pojedynczych pomieszczeniach. Nad tym zagadnieniem jeszcze się nie głowiłem i powiem szczerze, to już są szczegóły, łącznie z tym, czy postawić na oszczędność energii, czy inwestycji.

Klasyczne ogrzewanie ciut inaczej, ciut taniej?

Pozwólmy sobie teraz na całkowity odjazd w krainę fantazji. W chwili gdy piszę te słowa, temperatura w pomieszczeniu wynosi około 30 stopni Celsjusza. W takiej sytuacji człowiek marzy o sprawnie działającej klimatyzacji. Można też pomarzyć o ogromnej kupie lodu, która nam została po nagrzewaniu powietrza do temperatury minus trzy stopnie. Gdybyśmy mieli jeszcze większą kupę lodu, można by pomyśleć o uruchomieniu w oparciu o różnicę temperatur pomiędzy nią i powietrzem w moim mieszkaniu. Albowiem do tego, by silnik ruszył, niezbędne są dwa zbiorniki, jeden z ciepłem, drugi z zimnem.

Pytanie, ile z takich niewielkich różnic temperatur można wydusić? Maksymalne sprawności maszyn cieplnych określił jeszcze w XIX wieku Carnot. Dzięki niemu wiemy, ile można z energii cieplnej, którą pobieramy ze zbiornika ciepła, zamienić na mechaniczną pracę w maszynie cieplnej (na przykład w silniku Stirlinga). Dla naszych warunków owa sprawność wynosi około 10%. Z pozoru bardzo kiepsko, lecz gdy uświadomimy sobie, że zbiornikiem ciepła jest po prostu atmosfera, a lodu w zimie możemy naprodukować, ile właściwie dusza zapragnie, to widać, że sprawie warto przynajmniej poświęcić chwilę uwagi.

Oszacowałem, że zużywam około 7 kWh energii elektrycznej na dobę . Ponieważ do stopnienia jednego kilograma lodu potrzeba około 335200 dżuli energii, to można wyliczyć, że dla zaspokojenia moich potrzeb (potrzeb jednego mieszkania) w ciągu doby stopimy około 750 kg lodu, mając, jako źródło ciepła, powietrze o temperaturze 30 stopni. Dla zaspokojenia ciekawości można dodać, że gdy ogrzejemy nasz czynnik roboczy w maszynie cieplnej do 40 stopni, sprawność wyniesie 12,7%, przy 60 stopniach Celsjusza wzrośnie do 18%. Otóż takie temperatury bez trudu osiągają w lecie poddasza nawet bez jakichkolwiek zabiegów. Tego ciepła lepiej byłoby się w lecie pozbyć, zazwyczaj nagrzany strych daje o sobie mocno znać jeszcze piętro niżej.

Dla tego, by mieć za darmo energię elektryczną (albo mechaniczną na przykład do napędzania pompy do wody, lub wentylacji), w ciągu kilku ciepłych miesięcy potrzeba kilkuset ton lodu. Ogromna ilość, lecz gdy sobie uświadomimy, że kostka o wymiarach 10x10x10 metrów to 1000 metrów sześciennych, czyli 1000 ton wody, rzecz przybierze realne technicznie rozmiary. Oczywiście jest całkiem możliwe, by właściciel domku jednorodzinnego zakopał sobie na swej posesji taki zbiornik. Kosztowałoby to pewnie drugie tyle, co domek, lecz możliwe jest.

Ideałem byłoby mieć jeszcze zbiornik z ciepłem i to tak duży, żeby podczas jego pracy prawie nie zmieniał temperatury. W zimie za jego pomocą można by ogrzewać naszą elektrownię, a chłodzić oczywiście zimnym powietrzem. I tu możemy wkroczyć w obszar prawdziwej fantazji. Jeśli bowiem założymy, że pojemność energetyczna zbiornika ciepłego będzie taka sama jak zimnego, że, powiedzmy, jego temperatura nie zmieni się więcej niż 1 stopień Celsjusza, to musimy wybudować basen o objętości 80 000 metrów sześciennych. Gdyby nadać mu kształt sześcianu miałby wymiary mniej więcej 42 metry na krawędzi. To już może się nie udać... Jednak sprawa nie jest całkiem stracona, można bowiem nagrzać grunt, unikając ogromnych robót ziemnych.

Jak przechować do zimy letnie upały? Potrzebna jest wielka masa zdolna pomieścić tyle ciepła. Poradzić możemy sobie, wykorzystując powierzchnię naszej planety. Problem tylko w tym, jak uniknąć gigantycznych wykopków. Możemy spróbować wykonać szereg odwiertów, umieścić w nich, systemem "rura w rurze", wymienniki ciepła, które nagrzeją grunt na sporych głębokościach. Przy takiej konstrukcji, gdy odpowiednio dobierzemy wymiary, możemy nie martwić się ucieczką ciepła, będzie się ono rozchodziło w gruncie przez całe lata, o ile nie trafimy na podziemne wody.

Pozostańmy jednak przy naszym basenie z 1000 metrów sześciennych lodu. Warto mu nadać możliwie najwięcej funkcji. Po pierwsze, napędzamy naszą elektrownię. Instalacja wygląda tak, że dla prostoty mamy turbinę czynnik roboczy (najlepiej hel) i nagrzewnicę (kocioł) oraz chłodnicę. Za chłodnicą musimy umieścić pompę, która przetłoczy czynnik roboczy do kotła. Tak na oko widać, że dla sprawności układu jest obojętne, jak wygląda układ nagrzewania, istotna jest temperatura końcowa. Dlatego można chłodzić czynnikiem roboczym powietrze wpływające do mieszkania. I mamy klimatyzację za darmo. Przy okazji, gdyby wpadło nam do głowy zmajstrować kolektor słoneczny, który podbije temperaturę początkową w lecie nawet do jakiś 120 stopni, to dzięki wstępnemu nagrzaniu helu od powietrza może być on odpowiednio mniejszy. Oczywiście możemy sobie zbudować lodówkę chłodzoną czynnikiem roboczym, pozbędziemy się głównego pożeracza prądu w domu.

W zimie, gdy temperatura spadnie do minus kilkunastu stopni, zaczynamy produkcję lodu, a jeśli nasza instalacja jest odpowiednio sprawna, turbina znowu ruszy, ogrzewana tym razem zamarzającą wodą i chłodzona zimnym powietrzem. Sprawność spadnie tym razem do kilku procent, zapewne energii starczy tylko na napędzenie pomp i przetoczenie helu przez instalację, lecz nawet w takich warunkach możemy maszynerią zrobić coś pożytecznego. Po pierwsze, dogrzejemy powietrze zasilające nasz domek. Jednak z wyliczeń wynika, że zostanie jeszcze bardzo wiele ciepła (jeśli mamy kilkaset metrów sześciennych pojemności w zbiorniku). Można się nim posłużyć do usuwania lodu dzięki zjawisku sublimacji. Woda paruje także w stanie stałym. Jeśli na przykład podgrzejemy powierzchnię chodnika do temperatury większej niż ma otoczenie, choć o kilka stopni, lód zniknie, a jeśli nie, stanie się szorstki i porowaty. Zjawisko to można zaobserwować w zimie nad tunelami z rurami z ciepłą wodą. Tym sposobem można dosuszać zalodzone rynny, załomy ścian. Oszczędzimy sobie pracy przy odśnieżaniu i remontach. Tak więc wyliczyliśmy, że mając zbiornik z lodem o objętości średniego domku jednorodzinnego, znajdujemy się w krainie energetycznej szczęśliwości. Jeśli dodamy do tego zbiornik ciepła, okaże się, że być może z odbiorcy energii stajemy się jej producentem. I to tylko i wyłącznie w oparciu o roczne zmiany temperatury.

Lodowa elektrownia z zaznaczoną letnią częścią instalacji.

Tak na marginesie, to jeśli jest prawdą, że na pustyniach temperatura nocą spada do minus 15 stopni Celsjusza, to tam właśnie zbudowanie podobnej maszynerii, lecz ze znacznie mniejszymi zbiornikami (bo mamy cykl dobowy) byłoby i znacznie tańsze, i urządzenie pracowałoby ze znacznie większymi sprawnościami.

Z krainy fantazji ekonomicznej, bo nie technicznej, powróćmy na ziemię. Całkiem niedawno przeglądałem Internet w poszukiwaniu ofert dla takiej domowej energetyki. No i coś się zaczyna ruszać. Co prawda, drogo jak cholera, ale za 4500 PLN można sobie kupić wiatrak o mocy 180 watów max, który na dodatek, jak zapewnia producent, wytrzymuje huragany i nie jest maszynką do mielenia ptaków, jak kochane "ekologiczne" szybkobieżne giganty. To jeszcze za drogo, ale jest nadzieja, że jak produkcja zrobi się masowa, to ceny spadną, a jakość wzrośnie na tyle, że zacznie się opłacać. 180 watów to za mało dla normalnej eksploatacji domu (taka pralka elektryczna potrzebuje w porywach 2000 watów), ale dosyć na utrzymanie w ruchu takich urządzeń, jak pompa do centralnego ogrzewania. Oczywiście pamiętajmy o tych 2500 godzin wietrznych, jakie bywają w naszym kraju, w stosunku do 8760 które posiada (szczęśliwie) cały rok. Z racji owych proporcji zawsze byłem bardzo sceptycznie nastawiony do wiatrowej energetyki, lecz wiatrak bezpośrednio u użytkownika, to całkiem co innego, niż wiatrak w sieci energetycznej. Po pierwsze, kasa. Odbiorca płaci za energię trzy razy więcej niż dostaje za nią producent. Po drugie, bezpieczeństwo zasilania. Jeśli mamy wiatrak zdolny przetrwać wichurę, to gdy drzewo zwali się na linię zasilającą, może się okazać, że nasz laptop, na którym właśnie kończymy artykuł, za który spodziewamy się dostać całe 500 PLN jedzie na wiatraku. To jest możliwe. Po trzecie, pomiędzy producentem, a odbiorcą kilkanaście procent energii zamienia się w ciepło. Dziś, być może owe proporcje są lepsze, ale skoro wojna idzie o pojedyncze procenty, to zdecydowanie lepiej jest, gdy nie ma po drodze kilometrów kabli i transformatorów. Wreszcie te małe wiatraki mają moim zdaniem szansę, w przeciwieństwie do wielkich, na to by... działać. Tu są znacznie rozsądniejsze proporcje wymiarów do wytrzymałości materiałów. Odpowiednio skonstruowane mogą działać zapewne nawet dziesiątki lat, przy minimalnych zabiegach konserwacyjnych.

Energię można zaoszczędzić nawet optymalizując programy komputerowe. To z powodu energochłonności mamy samowyłączające się monitory, systemowe wyłączenia dysków twardych. Przydatność tych wynalazków jest taka sobie, prawdopodobnie im zawdzięczam nieco przedwczesny wydatek kilku stów. A co programy? Mało kto, poza użytkownikami Linuksa, wie, że procesor nie musi się grzać jak opętany, zwłaszcza, że we współczesnym komputerze leży sobie odłogiem przez 99% czasu. W Linuksie procesor, gdy nic nie robi, jest zatrzymywany. Można sprawdzić, dotykając radiatora, że jest zimny. I rzeczywiście, komputer pobiera kilkanaście watów mniej, co sprawdziłem odpowiednimi miernikami. Jeśli więc wywalimy z oprogramowania zbędne operacje, to będzie on trochę krócej pracował. Ile? Zazwyczaj, ciut mniej niż 1 milisekundę, ale czasami przy żmudnych operacjach, mogą to być nawet godziny. Z punktu widzenia posiadacza procesora, koszt energii jest tak mały, że opłaca się go zatrudnić do byle czego, ale zawsze lepiej, gdy nawet to byle co robi krócej.

Co z tego wszystkiego wynika? W sumie ów przegląd fantastycznych i bardziej realnych metod oszczędzania energii przypomina nieco składzik rupieci. Trzeba by się zastanowić, co warte jest zachodu, czym w ogóle sobie głowy nie zawracać. A na koniec taka opowieść. Zazwyczaj stacje metra nie leżą na jednej wysokości. Powiedzmy, że mamy poprowadzić tunel z wyższej do niższej. Wydawać by się mogło, że nie ma co tu medytować, najlepszym rozwiązaniem jest poprowadzenie prostej rury, najkrótszej, która pochłonie najmniej materiałów. Po chwili zastanowienia zauważymy jednak, że pociąg, jadąc ze stacji wyższej do niższej w takiej rurze, do samego końca będzie się rozpędzał. To głupie. Najlepiej zrobić tak, by rozpędzał się na początku, a przed stacją wyhamował. Wówczas czas przejazdu skróci się i stracimy najmniej energii. Czyli niegłupi byłby tunel, który schodzi nieco poniżej stacji docelowej. Zauważmy, że ten dołek jest także dobry przy jeździe w drugą stronę: także pomaga się rozpędzić. Zagadnienie to jest klasycznym zadaniem dla rachunku wariacyjnego. Mniejsza, co to za wydra, w każdym razie rozwiązanie było całkiem sporym sukcesem matematyki. Ludziska sobie łamali głowy wiele lat i opłaciło się?

Nie wiem, czy to rozwiązanie jest stosowane w praktyce, wiem, że, na przykład, specjalnie profiluje się łuki skręcających torów kolejowych, by uniknąć tak zwanego szarpnięcia, nie szarpnięcia w potocznym sensie tego słowa, ale w znaczeniu fizycznego terminu. Ktoś kiedyś rozwiązał z pozoru mało istotny problem. Dziś dzięki temu zaoszczędzono pewnie setki roboczodniówek na remontach. Ponieważ wiele wskazuje, że pociągi, lub jakieś inne pojazdy szynowe, będą jeszcze jeździć bardzo długo, trudno nawet powiedzieć, ile jeszcze zaoszczędzimy.

Zacząłem od opowieści o wojnie o procenty. Sama energetyka jest dziś marginesem zainteresowania przeciętnego człowieka. Gdy dowiaduje się, że w rachunkach, które płaci za jej nośniki, rzadko mniej niż połowę stanowią podatki, że całkiem sporo trzeba zapłacić za inkasenta, a w sumie najmniej za to, o co chodzi, to go wszelkie programy oszczędzania przestają obchodzić, bo zgodnie ze zdrowym rozsądkiem dochodzi do wniosku, że najpierw trzeba "rozgonić tę bandę". A dopiero potem zawracać głowę wiatrakami. No i niestety, ma bardzo wiele racji. Technologie energetyczne są dziś tak wyżyłowane, że wszelkiego rodzaju innowacje z reguły albo przynoszą bardzo małe zyski, albo są inwestycjami na dziesięciolecia. Energetyka, to tak naprawdę margines naszego życia.

Czy jest sens zajmować się czymś marginalnym? Na rysunku

mamy historię 1 procenta na przestrzeni powiedzmy 250 lat, czyli mniej więcej czasu w jakim mamy do czynienia ze zjawiskiem określanym jako rewolucja naukowo-techniczna. Powiedzmy jednak, że jest bardzo uproszczona historia pewnego przedsiębiorstwa wykazującego przyrost dochodu 1% rocznie. Skoro zaczęła się około roku 1750, to dla zachowania jednakowych jednostek dochód przeliczono na talary (zapewne austriackie). Co tu jest ciekawego. Właściwie nic, mamy typową krzywą wykładniczą. Warto jednak chwilę podumać nad tym, że zapewne nikt z pracowników owego przedsiębiorstwa na początku jego istnienia nie przykładał uwagi do tego 1 procenta wzrostu. Po dwudziestu latach majątek wzrósł około 20 procent, tyle co nic. Pod koniec zapisanego okresu pomiędzy 220 i 240 rokiem działalności przyrost majątku wyniósł 2 razy w stosunku do kapitału początkowego, a więc szybkość zmian majątku była 10 razy większa niż w pierwszych 20 latach i 100 razy większa niż w pierwszym roku działalności. Tak więc zjawisko, na początku marginalne, zaczyna w końcu decydować o wszystkim. To pewnie tłumaczy, dlaczego całe instytuty zajmują się pojedynczymi procentami. Gdy ktoś jakieś 5000 tysięcy lat temu po raz pierwszy zbudował wózek na prymitywnych kołach, zapewne wzbudził tym tak zwane umiarkowane zainteresowanie. Nawet jeśli to był kupiec, dla którego podróżowanie było treścią życia, to ów wózek załatwiał tylko niewielką część jego problemów. Kto wie, ile razy zastanawiał się, czy ta jego konstrukcja ma jakikolwiek sens, gdy trafiał na wykroty, wszystko rozpadało się, gdy mijali go inni podróżnicy, którzy zwyczajnie umieścili ładunki na oślich grzbietach, czy... niewolników. A dziś praktycznie cały transport odbywa się na kołach. Wszyscy znamy te historie. Otóż, aby nie rzucić wszystkiego w diabły, gdy nasz wózek połamał koła, a bokiem mija nas ze znaczącymi uśmieszkami karawana konkurencji, potrzebna jest wiara w te pojedyncze procenty. No cóż, może nasze wnuki nawet nie zauważą tego, że ich krajobrazu zniknęły wielkie elektrownie, może nawet nie będą sobie zawracać głowy tym, co napędza ich maszyny, ale tylko dzięki temu, że ktoś wcześniej rozwiąże problemy energetyki. My zaś może powiemy sobie, że kryzysy energetyczne i owszem, ale w razie czego wydusimy prąd nawet z bryły lodu i spokojniej sobie pośpimy.