как работает тепловой насосос
#тепловой_насос_теория
избитая тема. но я увидел, что многие этого не понимают. встретил я одного такого индивида. с пеной у рта доказывал что КПД больше 100% процентов не бывает и все его дурят, впрочем, я думаю, так оно и есть. одна загвоздка КПД теплового насоса ~60% но коэффициент использования первичного топлива (Coefficient of Performance CoP) бывает больше 5. но давайте обо всем по-порядку. начнем с теории. придется вспомнить школьную физику.
первое системы относительно поступающей в неё энергии бывают отрытыми и закрытыми. кроме того закон сохранения энергии говорит, что энергию невозможно уничтожить - только преобразовать из одного вида или формы в другую.
т.е. количество энергии в системе замкнутой относительно источника её энергии постоянно.
пример: пусть у нас есть печка с фиксированным количеством дров. мы не можем получить энергии больше чем при сжигании этих дров. чтобы получить энергию больше чем запас дров надо принести еще немного дровишек.
но системы бывают не только замкнутые но и открытые относительно источника её энергии.
пример: возьмет солнечную панель. она вообще не является источником энергии, но стоит вынести её на солнышко и вуаля у нас есть энергия. при этом КПД солнечной панели процентов 20. и она некуда не включена, а снять с неё можно пол киловатта, а написано на ней КПД 20%. как нестранно 20 процентов это эффективность преобразования энергии солнечной радиации.
ну вот мы добрались до теплового насоса. в отличии от солнечной панели у него два источника энергии: это собственно энергия из сети электропитания и источник низкопотенциального тепла.
в качестве источника низкопотенциального тепла может выступать водоём достаточно большого объема, атмосфера, грунт, грунтовые воды. т.е. энергия из сети не тратится на непосредственный нагрев, а тратится на перенос энергии источника низкопотенциального тепла потребителю. для одноступенчатых систем разница температур источника низкопотенциального тепла и выходной температуры насоса обычно небольшая 30-40 градусов.
т.е. если у вас тепловой насос использует в качестве источника энергии атмосферу то когда за окошком -30˚С, то и эффективность вашего теплового насоса будет сомнительная, поэтому тепловой насос выкачивающий тепло грунтовых вод эффективнее.
температура грунтовых вод практически не зависит от сезона. для Москвы колебание температуры для глубины 1.6 метров это где-то 4-10 ˚С, а на глубине 100 метров можно считать что там вечные +10 ˚С и температура растет с глубиной. если вы поставите зонд на глубину 1 км то температура там ~25 ˚С.
однако несмотря на это, многие производители заявляют CoP ~2 для систем воздух-вода при температуре воздуха -30.
ну что же давайте посмотрим как эта штука работает - опять придется вспомнить школу.
если газ заставить совершить работу (принудительно расширить) то его температура упадет. почему? виноват все тот же закон сохранения энергии. впрочем обычно ссылаются на закон Менделеева-Клапейрона. если же наоборот газ сжать, то согласно этому же закону газ нагреется.
собственно говоря так и работает тепловой насос. в горячей части газ сжимается и сбрасывает тепло. после чего газ стравливается через расширительный клапан - это просто перегородка с маленьким отверстием и поступает в холодную часть. как мы уже знаем если газ заставить потратить внутреннюю энергию его температура упадет. что и происходит. т.е. давление газа в холодной части значительно ниже чем в горячей.
температура до которой остывает газ должна быть ниже источника низкопотенциального тепла, тогда тепло источника низкопотенциального тепла самопроизвольно перетекает в газ (рабочее тело).
как нетрудно догадаться после чего газ поступает в компрессор где сжимается и поступает в горячую часть, где отдает собранное из низкопотенциального источника тепла потребителю. после чего газ стравливается через расширительный клапан его давление и температура падает и цикл повторяется.
принцип действия теплового насососа
пусть наш тепловой насос выкачивает из источника низкопотенциального тепла 10 кВт. потребляет из сети 2 кВт отдает потребителю 8 кВт как рассчитать КПД теплового насоса?
очень просто КПД = 8 / (10 + 2) ~ 0,7 т.е. КПД насоса 70%
коэффициент же использования первичного топлива CoP = 8 / 2 = 4
вот такая несложная схема. самое интересное, что холодильник работает точно так же. т.е. он фактически выкачивает тепло из продуктов и сбрасывает через радиатор.
т.е. теперь можно четко сказать, что электрическая энергия в тепловом насосе используется для обеспечения работы компрессора, который перекачивает тепловую энергию потребителю из источника низкопотенциального тепла.
кстати говоря. в советской литературе, во избежании путаницы, использовали не термин КПД, а степень термодинамического совершенства. показывает тоже самое, но просто звучание лучше отражает суть величины.
у ОК. тепловой насос это такая штука которая способна сделать из 2 КВат электрической энергии из сети электропитания 5 кило тепла. так давайте мы это тепло снова преобразуем в электричество и будем делать с ним что хотим? увы это невозможно. вернее возможно но с очень маленьким КПД преобразования, который сожрет все наши выигрыши.
если например для такого преобразования использовать термоэлектрический модуль, то КПД такого преобразования 5%. т.е. из наших «мистических» 5 КВат получим всего 250 Ват электричества, что значительно меньше чем вложенная электрическая мощность.
классическое преобразование при помощи пара довольно затруднительно т.к. придется использовать жидкости кипящие при температуре ~40 ˚С эффективность тоже будет сомнительна. но даже если система преобразования тепла в электричество будет с КПД 20%, она даст всего 1 КВат электричества.
как нетрудно догадаться, чтобы система стало хоть сколько нибуть рентабельна преобразовывать тепло в электричество нужно с КПД больше 50%, что больше КПД ТЭЦ.
тут правда стоит поставить вот какой вопрос, если у нас есть такой волшебный преобразователь, то зачем нам в этом случае тепловой насос? не проще ли одну часть такого преобразователя воткнуть в грунтовые воды, а другая пусть болтается на вольном воздухе. как раз зимой чем холодней тем больше разница температур?
да. работы по освоению волшебства ведутся. но когда эти разработки появятся в потребительском секторе предсказать сложно.
вот так вот все просто и логично, просто уроки физики в школе прогуливать было не надо.