Физические этюды. Часть 6.



Эффективность работы теплового насоса в режиме нагрева.   

                                    6.1.   Предисловие. 

      Известный  популяризатор науки,    профессор Оксфордского университета Питер Эткинс начинает свою книгу «Порядок и беспорядок в природе» со следующего недвусмысленного заявления: «Пожалуй,  ни  один  из разделов физики не способствовал в такой мере возвышению человеческого духа,  как термодинамика,  особенно ее второе начало.  Вместе с  тем, немногие области знания столь мало понятны неспециалистам и трудны  для  изучения.  Упоминание  о  втором начале  термодинамики  немедленно связывается в памяти с громоздкими и шумными  паровыми  машинами,  сложными  математическими  расчетами   и совершенно недоступным  восприятию  понятием  энтропии.  По-видимому, - делает Эткинс очевидный резюмирующий вывод, -   не   многие   люди   выдержали   бы предложенный  Ч.П.  Сноу  тест  на  общую культуру,  согласно которому незнание  второго  начала  термодинамики  приравнивается  к   незнанию произведений Шекспира» [6.12.].

Результаты многочисленных экспериментов в термодинамике привели к  заключению о невозможности  построения вечного двигателя, для которого достаточно было  бы КПД  с незначительным  превышением больше 100% [6-13,161].

  Видимо поэтому, увидев перечень сведений о тепловом насосе (рис.1), начинаешь задумываться о таком уникальном устройстве, которое не совсем увязывается с законами термодинамики.                                                                                       

Рис.6-1. Технические характеристики теплового насоса.[6-8,68] 

 Как видим из приведенных технических данных теплового насоса,  коэффициент полезного действия имеет величину не только больше единицы, а даже больше трёх или 350%.  

      Указанная величина КПД не являются предельной. Для кондиционера DC  Inverter  C09AW      указывается   СОР  для нагрева  -  4,10, для  PROXIMUS- 4,9, DАIKIN -  5,1 [6.5,р.20]. Tепловой насос  PROXIMUS в режиме половинной нагрузки может увеличить показатель СОР до шести и более[6.10,р.17].  В последующих разделах авторы  анализируют  составные части  кондиционеров  и попытаются определить предел увеличения  такого показателя. 

                    6.2.          Система оценки эффективности  СОР.    

    Коэффициент энергоэффективности СОР (Coefficient of Performance) представляет собой отношение между теплопроизводительностью и потребляемой электроэнергией для ее достижения. Чем выше коэффициент СОР, тем выше энергоэффективность. Под теплопроизводительностью понимается мощность полученная от агрегата (выраженная в кВт), работающего в режиме нагрева и при полной нагрузке. При этом наружная температура должна соответствовать +7 ºС, а установленная в помещении  + 26,7 ºС. Для удобства оценки энегоэффективности кондиционеров введена шкала коэффициентов энергоэффективности COP. Энергетическая эффективность подразделяется на 7 категорий - от А до G. Наибольшему уровню эффективности соответствует категория А, а наименьшему - категория G. В 2012-м году  производителями высокоэффективных кондиционеров и тепловых насосов  шкала расширена добавлением к существующему ряду категорий: - А+, А++, А+++.

                6.3. Особенности устройства кондиционера. 

                              В режим нагрева может переводиться любой холодильный агрегат, если в нём имеется  четырёхходовой клапан. Исторически сложилось применение ниже описываемого агрегата для охлаждения окружающего воздуха в помещениях. В устройствах для нагрева воздуха по такой сложной схеме особой нужды не было. Были разработаны различные устройства с использованием  твёрдого топлива, газа и электричества. Естественно, что электрические нагреватели или калориферы были доведены до совершенства с применением автоматики. Но потом оказалось, что холодильный агрегат, переведенный в режим нагрева, даёт существенную выгоду в потреблении электроэнергии. В технологическом цикле холодильного агрегата такой режим использовался для  оттайки наружного блока в зимний период. Термин «тепловой насос» относится именно к холодильному агрегату, способному обеспечивать нагрев помещения, используя низкотемпературное тепло подземного грунта.

Рассмотрим схему кондиционера на Рис.6-2.   

                                  Рис.6-2.  Схема кондиционера в режиме нагрева. 

                           При нормальной работе холодильной машины [6.1.р.189]  перегретый хладагент  в виде пара  поступает в конденсатор, где конденсируется  и   отдаёт  тепло  в окружающую  наружный блок среду. Для  работы в режиме теплового насоса  необходимо направить  перегретый хладагент во внутренний блок  и  обеспечивать  съём тепла для  помещения из внутреннего блока. Такая смена режима работы кондиционера достигается  с помощью  четырёхходового клапана. При этом  изменяется  направление движения хладагента. Таким образом, один и тот же  теплообменник в первом случае  конденсатор становится  испарителем, а испаритель – конденсатором. 

                     6.3.  Оценка КПД  агрегатов кондиционера. 

             6.3.1. Компрессор.

      Компрессор в холодильном агрегате является единственным теплообразующим узлом. На вход компрессора поступает хладагент в виде охлаждённого газа. При механическом перемещении поршня компрессора  или  винтового механизма с помощью двигателя (в данном случае за счёт потребляемой двигателем электроэнергии) производится адиабатическое сжатие газа и, таким образом, в соответствии с законом Шарля, происходит повышение его температуры.

       Потребляемая мощность  бытового  кондиционера не должна превышать 3 кВт.[6.1.р.203]. Это мощность, которую допускается  потреблять от стандартной бытовой однофазной розетки. Учитывая  холодильный коэффициент  бытового кондиционера равен  2,3-2,5, производительность  его не может быть больше, чем   7,5 кВт. Кондиционеры  с производительностью более 7,0 кВт  по теплу относятся к полупромышленным.

                      Компрессор  приводится в движение от электродвигателя через привод, в котором также имеются потери, характеризуемые  коэффициентом передачи  η. Так, если вал электродвигателя является одновременно валом компрессора,  η = 0,95-0,98. При наличии муфты сцепления   η = 0,92-0,95.[6.1,р.127]. Кроме того, необходимо учитывать  КПД двигателя  η = 0,85-0,95.

                     Связывая все  коэффициенты в одном агрегате можно получить величины для лучших образцов  компрессоров:

                - спирального  - 0,80;

                - с катящимся ротором- 0,71;

                - с поршневым   -  0,66.[1.139].

Для анализа эффективности нагрева кондиционером КПД компрессора считаем:  η1- 0,75. 

                  6.3.2. Конденсатор. 

         Назначение конденсатора: снять тепло с нагретого под повышенным давлением хладагента в виде газа, образованное за счёт его сжатия в компрессоре.    Для этого процесса используется теплообменник с принудительным обдувом окружающим воздухом.

На выходе конденсатора ввиду охлаждения хладагент переходит в жидкое состояние, оставаясь под достаточно высоким давлением.  КПД конденсатора   оценивается по методикам пароводяных теплообменников ТЭС и составляет:   η2 - 0,87 или в лучших моделях доходит до 91% (ROOFTOP,  модель CF-GAS/P700S). 

                 6.3.3. Испаритель.

         В испарителе жидкий хладагент, проходя через дроссельную заслонку, превращается в газ. В этом процессе идёт поглощение тепла образовавшимся газом. Процесс испарения хладагента происходит в аналогичном теплообменнике, как и в конденсаторе. Для интенсификации процесса используется вентилятор над теплообменником. Аналогично конденсатору,  КПД  испарителя составляет:  η3 - 0,87.                        6.3.4. Соединительные трубы. 

         Для получения какого-либо эффекта в кондиционере  конденсатор и испаритель должны быть разнесены по разным помещениям в пространстве. В случае с бытовыми кондиционерами в открытом пространстве (за пределами жилого помещения) располагается наружный агрегат, состоящий из двигателя компрессора, компрессора, теплообменника с вентилятором. Внутри помещения располагается один теплообменник с вентилятором. В случае нагрева помещения  внутренний блок работает как  конденсатор.  Обеспечивается такое функционирование  с помощью соединительной магистрали.  Трубы  магистрали предназначаются для подачи хладагента в виде перегретого газа для снятия тепла и возврата  в систему хладагента в жидком состоянии. Потери тепла на трубах приводят к уменьшению эффективности всего нагревательного агрегата, что требует хорошей теплоизоляции труб в магистрали. При недостаточном запасе мощности компрессора длина труб ограничивается величиной в несколько метров. Потери тепла составляют  в пределах (12-15)% на магистрали длиной до 7-и метров. Ввиду этого, тепловые насосы повышенной мощности проектируются с отводом тепла с помощью водяного контура,  который отводит тепло непосредственно из наружного блока [6.6-1]. Для анализа эффективности нагрева кондиционером считаем  КПД магистрали:  η4 - 0,85. 

                6.

4. Обобщённый показатель эффективности начального нагрева

                             в теплообразующем контуре.     

            6.4.1.  Влияние хладагента.

        Кроме основных узлов, на эффективность нагрева влияет качество хладагента, правильность его дозировки, наличие паров воды, наличие  неконденсирующихся газов, качество смазочного масла и стабильность химического состава, особенно  многокомпонентных хладагентов. Некоторые хладагенты  изменяют коэффициент энергоэффективности (КЭЭ) с величиной нагрузки на внутреннем блоке.                                    

        Рис.6-3.   График изменения  КЭЭ от изменения нагрузки. [6.10,р.17].  

           Все эти факторы вносят до 8% ухудшения в работе всего  кондиционера. Вносимый КПД  от  хладагента составит:  η5 - 0,92.

 

     6.4.2.  Результирующий  КПД  нагрева теплообразующего контура кондиционера.

       По результатам предварительной оценки эффективности узлов кондиционера и качества хладагента определяем результирующий   КПД: 

                               ηp =  η1*  η2  *  η3  *  η4  *  η5  =  0,75 * 0,87 * 0,87 * 0,85* 0,92 = 0,46 

           6.4.3.  Связь результирующего КПД с тепловыми оценками. 

     КПД в соответствии с таблицей (раздел 1) даёт оценку эффективности всего  кондиционера при получении тепла.  Вместе с тем,  оценка  выхода тепловой энергии  в компрессоре должна учитывать потери внутри кондиционера и на соединительной магистрали. Этот факт говорит о том, что теплообразующий «элемент»  кондиционера работает более эффективно. Его КПД по отношению к затраченной электроэнергии  окажется значительно больше:                                   

                                            ηт        =   3,5  :  0,46  =  7,95

 

                6.5.  Выводы.      

        Полученное значение  эффективности  теплообразующего узла, теплового насоса,  не может  значительно отличаться от теоретического,  и может быть уточнено путём специальных исследований процесса адиабатического сжатия хладагента .

               6.5.1.  Влияние качества узлов. 

      В зависимости от качества узлов кондиционеров или тепловых насосов коэффициент энергоэффективности СОР  для нагрева  в  сопроводительных  документах тепловых насосов  имеет значения в пределах 2,5 – 5,25. В основном, снижение  показателя  СОР  в новом изделии зависит от изготовителя и стоимости устройства, а снижение  этого показателя  в эксплуатации зависит от конкретных соотношений температур наружного воздуха и внутри  помещения, качества технического обслуживания этих устройств. Ниже приведены  значения  СОР для наиболее энергоэффективных  кондиционеров,  указываемых в сопроводительных документах:

 

Daikin FTXR28E/RXR28E настенные инверторные кондиционеры Уруру-Сарара - COP - 5.14 [6.8.].

Daikin Emura FTXG25J-W, FTXG25J-S  инверторные настенные кондиционеры - COP - 4.36 [6.8.].

Daikin FTXS25J/RXS25J настенные инверторные кондиционеры  -COP - 4.65 [6.8.].

Mitsubishi Electric MSZ-FD25VA/MUZ-FD25VA настенные инверторные кондиционеры ДЕЛЮКС - COP - 5.25 [6.9.].

Mitsubishi Electric MSZ-EF25VE(B)/MUZ-EF25VE, MSZ-EF25VE(S)/MUZ-EF25VE MSZ-EF25VE(W)/MUZ-EF25VE настенные инверторные кондиционеры - COP - 4.57[6.9.].

Mitsubishi Electric MSZ-GE25VА/MUZ-GE25VА настенные кондиционеры инверторные СТАНДАРТ - COP - 4.57 l6.9.]. 

      6.5.2.   Пути повышения энергоэффективности нагрева тепловым насосом.

   Производители кондиционеров и тепловых насосов приложили много усилий для создания высокоэффективных изделий. Можно отметить следующие нововведения по сравнению с аналогичными устройствами  прошлых лет:

   -   совмещение двигателя и компрессора в одном корпусе;

   -   высокоэффективные компрессоры спирального типа с низким энергопотреблением;

   -  применение для электропитания компрессоров и вентиляторов инверторных преобразователей;

   - использование процессоров для слежения и автоматического регулирования многочисленных параметров внутри контуров движения хладагента;

  -   высокоэффективные теплообменники с алюминиевым или медным оребрением;

  -   тихоходные многоскоростные вентиляторы с цифровым управлением;

  -   применение  хладагентов  с  улучшенными термодинамическими характеристиками;

  - применение смазочных составов, способных работать в широком диапазоне температур внутри всего теплообразующего контура.

                                 6.6.  Заключение.

       В проведенном анализе видны пределы увеличения энергоэффективности  при обогреве помещений с помощью теплового насоса или кондиционера. Тепло, полученное в компрессоре, является  исходным процессом в функционировании теплового насоса. Максимальная энергоэффективность ограничивается  потерями, связанными с «доставкой» тепла потребителю.  В лучших моделях тепловых насосов показатель энергетической эффективности приблизился к максимальной величине, и повышение этого показателя будет требовать значительных усилий от проектировщиков и разработчиков. Но, в данном случае, КПД = 350% - это очень большая величина. Как отмечается в учебнике: “Коэффициентом полезного действия механизма называется величина, равная отношению мощности полезной к мощности затраченной…Многие изобретатели, плохо знакомые с основами физики, пытались создать такой механизм, КПД которого был бы равен 100%. Такой механизм даже получил своё название: «вечный двигатель». Однако легко показать с помощью закона сохранения энергии, что создание такого двигателя невозможно. Механизмы можно улучшать, приближая их КПД к 100%, но достигнуть его невозможно”[6.7,р99].

 Остался вопрос: Кто прав? Изобретатель или физик?

    Авторы выражают благодарность д.ф-м.н. Кирилюку В.С., к.ф-м.н. Глущенко Н.И., директору «ПК Инжиниринг» Козику К. Г., директору ледового стадиона «Авангард» Касперовичу В.И.  за оказанную помощь при подготовке статьи. 

                                                         Литература.   

  1. 1.      Нимич Г.В.  Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха:[Учеб. пособие]/Г.В.Нимич, В.А.Михайлов, Е.С.Бондарь. – К., ТОВ «Видавничий будинок  «Аванпост – Прим» 2003. – 630с.;ил.-Библиогр.: с.625-627.
  2. 2.      Системы установок поверхностного отопления UPONOR- Май 2006. UPONOR Polska Sp. z.o.o. E< zbignev.fejcher@uponor.com.>
  3. 3.      Системы кондиционирования воздуха  SANYO. SANYO Electric Co.,Ltd.Japan. 2010.
  4. 4.      Многозональные  VRF системы с регулируемым  расходом  хладагента AIRSTAGE. Кондиционирование многоэтажных зданий. Серия  S.  FUJITSUGENERAL (ThailandCo) LIMITED.2007.
  5. 5.      Кондиционеры   LG.  LG Electronics Inc.Global №1, 2000-2005.
  6. 6.      Инструкция теплового насоса АС-80, Мас-Qywej    ,2011г.
  7. 7.      Гладченко Е.Н.,Глущенко Н.И.,Петрова О.И.Курс физики.Ч.1. Изд. центр «ХАИ», Харьков,2010г.
  8. 8.      http://www/ice-a.com/daikin/ nastennye_konditsionery_invennornye/.
  9. 9.      http://www/ice-a.com/mitsubishi/ nastennye_konditsionery_invennornye/.

     10. Технический бюллетень № 7-8, 2004г.М.”UNITEDELEMENTS”     <http://www.uelements.com>.

     11. Технический бюллетень № 5, 2004г.М.”UNITEDELEMENTS” <http://www.uelements.com>.

   12.     Львов.И. А король то голый! Googl-Интернет.

   13.  Яворский Б.М., и Детлаф А.А.. Справочник по физике (для инженеров и студентов вузов). Изд. «Наука», М. 1965г.