Эффективность (энергоэффективность) теплового насоса

В предыдущей статье мы подробно разобрались в том, как устроен тепловой насос и как он работает, но главный вопрос: чем он так хорош с точки зрения экономичности (о других преимуществах ТН мы расскажем в следующей статье) и каковы условия достижения такой экономичности мы подробно рассмотрим в данной статье.
Итак, имеется перенос тепла от испарителя к конденсатору при некоторой затраченной компрессором электроэнергией. Каково соотношение этих величин и от чего зависит это соотношение. В силу огромной энергии необходимой при фазовом переходе вещества ( в предыдущей статье упоминалось, что энергии требуемой на испарение определенного количества воды необходимо на порядок больше, чем на нагрев того же количества воды с температуры +20 С до температуры  +100С на примере чайника) перенос энергии компрессором в целом превышает затраченную им же электрическую энергию, однако при прочих равных (тип фреон, тип компрессора, тип теплообменника, качество изоляции  об  этих не менее важных деталей с точки зрения качества теплового насоса читайте в отдельных статьях) это соотношение тем больше, чем меньше разница температур между  конденсатором и испарителем. Соотношение произведенной тепловой энергии к затраченной электрической энергии называют КПД теплового насоса или множительным коэффициентом теплового насоса. Множительный коэффициент (МК) теплового насоса (его еще называют коэффициент преобразования (КП) теплового насоса или коэффициентом трансформации (КТ) теплового насоса) измеряют в единицах от 1 до 7, что означает что данный тепловой насос в заданном режиме на 1кВт затраченной электрической энергии вырабатывает величину равную коэффициенту трансформации  кВт тепловой энергии. Общепринятая  аббревиатура для коэффициента трансформации тепловых насосов  COP (coefficient of preformance). COP  безразмерная единица, являющаяся важнейшей характеристикой теплового насоса. Характеристика связана с режимом эксплуатации характеризующимся внешней низкой  температурой низкопотенциального контура и внутренней высокой температурой высокопотенциального контура. Об обозначениях режима и как взаимосвязан с ним СОР мы поговорим чуть позже. В реальности на сегодняшний день лучшие тепловые насосы (геотермальные)  в условиях нашей широты выдают среднегодовой коэффициент трансформации (СОР) в пределах от 4,2 до 5,2. 
Иногда, особенно часто в рекламных целях,  КПД тепловых насосов измеряют в %, и тогда можно встретить рекламные слоганы: «КПД 400%» или «КПД 700%» зависит от фантазии рекламодателей. По сути вроде верно затратил 1кВт получил 4кВт КПД составляет 400%. Однако, физически не совсем верно КПД замкнутой системы по всем законам физики не может быть больше 100%. Но в том то и дело, что система не замкнута, дополнительная энергия берется из вне системы (из окружающей среды), а, следовательно, прирост может быть любой и ограничен: физически (законами физики), например  для парокомпрессионных ТН   идеальным термодинамическим циклом Карно, и  реальными характеристиками теплонасосной установки ( с учетом различных потерь и условий далеких от идеальной модели Карно).
 Следуя, законам термодинамики идеальный теплонасосный цикл Карно имеет коэффициент преобразования КОП (COP) = Th/(Th—Tc), где Тh  высокая температура (температура конденсации - температура в системе отопления ); Тc  низкая температура (температура испарения  температура источника низкопотенциального тепла). Никакой тепловой насос, созданный в пределах нашей Вселенной, не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.  Исходя из вышесказанного, можно посчитать идеальный COP для теплового насоса отапливающего систему отопления «теплый пол» с температурой +30С = 303К и использующего в качестве источника тепла грунт с температурой +5С = 278К :  COP= 303/(303-278)=12,12. Однако, идеальный физический процесс отличается от реального (потери на трения, потери в теплообменных процессах, дополнительный расход энергии на циркуляцию и автоматику) и  в действительности COP для большинства тепловых насосов лежит в пределах от 3 до 6.  Очевидно, что чем выше эффективность (множительный коэффициент) теплонасосной установки, тем большую экономичность и более быструю окупаемость будет иметь отопительная система.
Ниже на графике приведена зависимость  реально достижимого коэффициента преобразования теплового насоса СОР от разности температур на выходе высокопотенциального и входе низкопотенциального контуров для лучших тепловых насосов.       
Из графика видно, что коэффициент трансформации около 5 ( ? = 5) достижим при температуре теплоносителя (в системе отопления) около +30-35С и температуре низкопотенциального контура не менее +4С. В зимний период такую температуру можно получить только в земле на глубинах свыше 3-4 м. Таким образом, самые эффективные насосы извлекают тепло из недр земли, именно поэтому их часто называют геотернальными насосами. Отсюда и происхождение понятий:  геотермальная энергетика или геотермия  энергосистемы построенные на извлечении энергии из земных недр.  Геотермальные насосы (иногда их еще называют грунтовые тепловые насосы или земляные тепловые насосы ) это разновидность тепловых насосов (общую классификацию и виды ТН мы рассмотрим в следующей статье). Геотермальные насосы на сегодняшний день являются самыми распространенными в северных странах в силу своей сверх эффективности.  Так же они имеют ряд дополнительных эффективных (экономических) преимуществ (подробно об этом мы поговорим позже) таких как: возможность  пассивного охлаждения (для кондиционирования летом) и экономически привлекательной интеграции с гелиоустановками (системами сбора солнечного тепла, солнечных коллекторов). Однако, грунтовые насосы требуют больших начальных капиталовложений на обустройство геозондов (геотермальных зондов, грунтовых теплообменников), но несмотря на это затраты с лихвой окупаются за счет высокой эффективности (высокого СОР).    
В южных странах большее распространение получили воздушные тепловые насосы, поскольку весьма высокие зимнии температуры позволяют тепловым насосам работать с приемлемой эфективностью (высокий или средний СОР), к тому же с минимальными  затратами теплонасосные установки работают в обратном режиме  в режиме кондиционерами. Воздушные ТН обходятся значительно дешевле как в стоимости необходимого оборудования так и в проектно-монтажных работах. Поскольку целью данной статьи было ознакомление с энергоэфективностью ТН ( т. е. объяснения главного преимущества  экономии трафика  энергоносителя (например: электричества), то в рамках данной статьи свою миссию будем считать оконченной. О экономической целесообразности применения грунтовых ТН и воздушных ТН в зависимости от региона (широты),  мы поговорим в отдельных статьях данного проекта. Но боллее всего, нас конечно же, будут интересовать методы достижения высоких значений COP с помощью геотермальных тепловых насосов в нашем регионе.