Как тепловой насос даёт больше тепла, чем потребляет электричества?

Тепло из ничего?

Эта коробка будто делает тепло из ничего. Подайте единицу электричества, и выйдет около трёх единиц тепла. Но ничего не создаётся: недостающая энергия на виду, в холодном воздухе за домом. Проследите один круг жидкости через четыре узла, и загадка исчезнет.

Обогреватели, которые производят тепло

Начнём с обогревателя, понятного всем. Электрообогреватель гонит ток через резистивную проволоку, и она превращает энергию в тепло. Единица на входе, единица тепла на выходе, и больше проволока не даст. Газовый котёл сжигает топливо и даёт тепла не больше, чем энергии в топливе.

Обе машины делают тепло. Тепловой насос в основном переносит уже существующее тепло.

В холодном воздухе тоже есть тепло

Всё, что теплее абсолютного нуля, хранит тепловую энергию. Абсолютный ноль около минус двухсот семидесяти трёх градусов Цельсия. Так что воздух при нуле, от которого мёрзнут руки, намного выше этого дна. Беда в том, что тепло само течёт только от тёплого к холодному.

Чтобы занести тепло с холодной улицы в тёплую комнату, его надо толкать в гору. Именно за этот толчок и платит электричество.

Жидкость, которая кипит ниже нуля

Рабочая жидкость теплового насоса называется хладагентом. Его выбирают, потому что он кипит ниже точки замерзания воды. Обычный хладагент R тридцать два кипит около минус пятидесяти двух градусов при атмосферном давлении. Кипение поглощает тепло, как кипящая вода берёт энергию плиты, не нагреваясь.

Если хладагент в наружном змеевике холоднее воздуха, он кипит и забирает у воздуха тепло. Вентилятор гонит уличный воздух через змеевик, чтобы тепло поступало.

Компрессор

Теперь хладагент стал холодным паром низкого давления, несущим пойманное тепло. Электричество работает именно в компрессоре. Он сжимает пар в меньший объём, и эта работа повышает его давление и температуру. Пар из компрессора теперь горячее комнаты, которую будет греть.

Это толчок в гору, сделанный электрической работой.

Тепло уходит в дом

Горячий пар идёт во внутренний змеевик. Он горячее воздуха в комнате, поэтому тепло уходит из него само. Отдавая тепло, хладагент снова становится жидкостью. Вентилятор или водяной контур разносит тепло по комнатам через решётки, радиаторы или пол.

Расширительный клапан

Жидкость ещё под высоким давлением, и впереди последняя преграда. Расширительный клапан пропускает её через узкое отверстие на сторону низкого давления. Резкое падение давления сильно охлаждает хладагент. Снова холодный, он возвращается к наружному змеевику, холоднее окружающего воздуха.

И круг повторяется, пока система работает.

Откуда берутся три единицы

Теперь энергетический баланс сходится. Из каждых трёх единиц тепла, поданных в дом в нашем примере, одна пришла как электричество через компрессор. Две другие холодный змеевик собрал из уличного воздуха. Отношение отданного тепла к электрической работе инженеры называют коэффициентом преобразования, или COP.

В нашем примере COP три. По данным Международного энергетического агентства, у типичного бытового насоса COP около четырёх. Энергия не создаётся. Электричество оплачивает перенос, а переносить дешевле, чем создавать.

Почему у соотношения есть потолок

Но это отношение не растёт бесконечно. Физика ставит потолок по двум температурам: откуда тепло и куда. Для идеального обратимого насоса потолок равен температуре горячей стороны, делённой на разницу температур, считая от абсолютного нуля.

В учебном примере, ноль снаружи и двадцать внутри, идеальный потолок около четырнадцати и семи десятых. При десяти градусах снаружи потолок почти удваивается, до двадцати девяти. Реальные машины гораздо ниже: змеевикам нужна лишняя разница, чтобы быстро передавать тепло, а компрессор и вентиляторы теряют энергию. Полезный урок даёт сама форма формулы.

Чем шире разрыв, через который нужно поднять тепло, тем ниже потолок.

Самые холодные дни

А он шире всего, когда тепла нужно больше всего. Чем холоднее снаружи, тем выше поднимать тепло, и COP падает. Обзор две тысячи двадцать третьего года в журнале Joule собрал около двух тысяч семисот замеров примерно с пятисот пятидесяти насосов в семи исследованиях в Европе, Северной Америке и Китае.

От плюс пяти до минус десяти средний COP был два и семьдесят четыре. В каждом исследовании среднее было не ниже двух и четырёх. Две модели для морозов испытали в Финляндии при минус тридцати. Одна давала полторы-две единицы тепла на единицу тока, другая одну-полторы.

Есть и другая зимняя цена. Около нуля змеевик может обрастать инеем, и на оттайку уходит энергия. Многие системы имеют резервный нагреватель на сильный мороз, и электрический работает как проволока из начала: единица на единицу.

В исследованиях он обычно включался лишь ниже примерно минус десяти.

Холодные страны уже на них полагаются

Сам по себе холодный климат не помешал распространению. По данным агентства, около шестидесяти процентов зданий Норвегии имеют тепловые насосы. В Швеции и Финляндии доля превышала сорок процентов. Там без зимнего отопления не обойтись.

Температура в доме важна

Другой конец разрыва находится внутри дома. Многие старые системы гоняют воду в шестьдесят-семьдесят градусов. Насосу, дающему такую горячую воду, приходится поднимать тепло выше, и эффективность падает. Поэтому монтажники иногда увеличивают радиаторы, добавляют тёплый пол или утепляют дом.

Хорошо утеплённый дом греется при меньшей температуре подачи, и разрыв сужается изнутри.

Эффективность ещё не счёт

Высокий COP не значит автоматически меньший счёт. Счёт зависит от того, сколько тепла нужно дому, от COP за весь сезон и цены электричества против заменяемого топлива. Вот пример Министерства энергетики США.

Насос с сезонным COP три, заменяющий газовую печь, которая превращает в тепло восемьдесят процентов топлива, эффективнее в три и семьдесят пять раза. Он дешевле, пока электроэнергия дороже газа меньше чем примерно в три и семьдесят пять раза. Где электричество дороже, насос может стоить дороже, хоть тратит намного меньше энергии.

Другой барьер связан с установкой. Агентство выяснило: даже самые дешёвые насосы воздух-вода стоят в два-четыре раза дороже газового котла на большинстве крупных рынков, до субсидий. Важны и утечки: некоторые хладагенты сильные парниковые газы.

И всё же, по оценке агентства, с нынешними хладагентами насос снижает выбросы как минимум на двадцать процентов против газового котла, а при чистом электричестве до восьмидесяти.

Два исключения

Не каждый насос берёт тепло из уличного воздуха. Грунтовые и водяные насосы берут его из почвы, грунтовых вод или реки, которые зимой обычно теплее воздуха. Разрыв меньше, COP выше, и наружный змеевик не надо оттаивать. Минус в стоимости: грунтовому контуру нужна глубокая скважина или большая сеть закопанных труб.

Та же машина может работать и наоборот. Четырёхходовой клапан меняет роли змеевиков: летом внутренний собирает тепло, а наружный отдаёт, как кондиционер.

Четыре условия для проверки

Так что коробка не нарушает законы физики. Она тратит единицу электричества, перенося тепло через разрыв. Сколько тепла несёт эта единица, зависит от четырёх проверяемых вещей. Насколько холодно у вас снаружи.

Какой горячей нужна вода или воздух дома. Как здание держит тепло. И цена электричества против заменяемого топлива. Сузьте разрыв, и каждая единица электричества внесёт в дом больше тепла.