КПД хорошего теплового насоса - считаем коэффициент преобразования ТН
Тепловой насос позволяет забирать энергию от относительно холодного тела и передавать ее более нагретому, что невозможно без привлечения внешней энергии. Конструкции тепловых насосов могут быть разными, как и их эффективность.
Важнейшим показателем эффективности климатического оборудования является коэффициент полезного действия. КПД теплового насоса довольно высок по сравнению с иными методами нагрева в силу низких потерь энергии и того, что система является незамкнутой.
В чем суть процесса?
Обращали ли вы внимание на то, что задняя стенка холодильник нагревается? То есть, имеет место забор тепла у менее нагретых объектов (продукты внутри) и передачи ее более нагретому воздуху в помещении. В этом и суть теплового насоса (ТН).
С помощью хладагента (почти всегда это фреон) и его фазовых переходов из жидкого в газообразное состояние и обратно, тепловой насос производит перераспределение тепла от относительно слабо нагретого вещества к более нагретому.
Для примера - принцип действия геотермального теплового насоса:
- Незамерзающая подземная вода закачивается в определенную емкость, которая контактирует с хладагентом.
- Компрессор сжимает хладагент, что приводит к поглощению тепловой энергии воды.
- Хладагент направляется в испаритель, который контактирует с той средой, которую нам необходимо нагреть.
- При испарении хладагент отдает тепло, и направляется обратно в компрессор на повторение цикла.
Мощный тепловой насос может подобным образом отапливать целый дом.
Рассматривая тепловой насос, плюсы и минусы очевидны. С одной стороны, у нас есть возможность перераспределять тепло по своему усмотрению. С другой стороны, на сжатие хладагента нам нужен внешний источник энергии, и затраты этой энергии могут перекрыть эффект от нагрева.
Как же оценивают эффективность ТН?
Методики оценки эффективности тепловых насосов могут быть различны. Они основываются либо на результативности передачи тепла, либо на энергетическом балансе. СНиП тепловые насосы практически не рассматривает, поэтому приходится ориентироваться на показатели, слабо освещенные нормативной документацией.
Реальный КПД теплового насоса вычислить довольно трудно. В рекламе можно встретить утверждения, что некоторые насосы работают с эффективностью выше 100%. Это может быть правдой, так как ТН не является замкнутой системой.
Один из основных показателей эффективности – коэффициент преобразования теплового насоса. Обозначается как COP, и вычисляется он путем деления выходной температуры насоса на разницу между выходной и входной температурами (по Кельвину – отрицательных значений тут не будет). Допустим, у нас имеется тепловой насос «воздух-воздух», КПД которого нам нужно определить. Температура воздуха снаружи 268 градусов по Кельвину (-5 по Цельсию). Внутрь поступает воздух, нагретый до 295 градусов (22 по Цельсию). COP будет равен 295 / (295 - 268) = 11.
Важно понимать, что полученный нами результат – нереален. На то, чтобы забрать у относительно холодного воздуха столько тепла нам потребуется затратить очень много энергии, и, не исключено, что у нас вообще это не получится. Экономика использования тепловых насосов при таком положении вещей будет очень неприятной.
Максимальным считается COP на уровне 7, а средним 3,5-4,5.
Данный показатель не является показателем КПД. Последний вычисляется как обычно: полученная энергия делится на затраченную (в Ваттах). Если у нас есть тепловой насос 100 кВт, который выдает нам 60 кВт тепловой энергии, то его КПД составляет 60%. При расчете важно полностью учесть затраты энергии, не только на работу компрессора, но и на перекачку теплоносителя и рабочей среды.
