Как рассчитывается эффективность теплового насоса?

Любой тепловой насос во время эксплуатации имеет различные значение выработки тепловой энергии и потребления при этом электроэнергии. Соотношение этих величин и является показателем эффективности теплового насоса.

Мгновенная эффективность теплового насоса (COP)

Эффективность работы теплового насоса оценивается показателем COP (Coefficient of Performance) – коэффициент эффективности теплового преобразования.

COP= Q/E , где

Q — мощность вырабатываемой тепловой энергии кВт.
E — мощность потребляемой электроэнергии кВт.

Значение COP всегда выше единицы в отличие от прямого преобразования электроэнергии в электрическом нагревателе, где эффективность почти равна единице. Значение «Е» включает в себя электроэнергию затрачиваемую на работу компрессора, насосов, привода вентилятора (для воздушных тепловых насосов). Чем выше коэффициент COP, тем эффективнее работает тепловой насос, поскольку для такой же тепловой мощности требуется меньше электричества. Коэффициент эффективности зависит от температуры источника тепла (низкопотенциального источника энергии) и температуры, на которую необходимо нагреть теплоноситель в системе отопления. Поэтому COP отличается в каждой рабочей точке.

Чтобы можно было сравнивать тепловые насосы друг с другом, их коэффициент эффективности приведен для определенных рабочих точек:

• A2W35 для тепловых насосов воздух / вода (A2: температура воздуха — 2 ° C, W: температура подачи воды (теплоносителя) в отоплении — 35 ° C);
• B0W35 для тепловых насосов грунт / вода (B0: рассол геотермального контура — 0 ° C, W: температура подачи воды — 35 ° C);
• W10W35 для тепловых насосов вода / вода (W10: температура грунтовых вод — 10 ° C, W: температура подачи воды — 35 ° C).

Иногда приводятся данные для В0W55 (подача в систему отопления — 55 ° C), А7W55 ( A7: температура воздуха — 7 ° C, W: температура подачи воды в отоплении — 55 ° C) и т.д.

График зависимости мощности потребления, выдаваемой мощности и эффективности теплового насоса при изменении температуры рассола геотермального контура и постоянной температуре в подачу системы отопления 55 градусов (W55).

График зависимости мощности потребления, выдаваемой мощности и эффективности теплового насоса при изменении температуры теплоносителя в подачу системы отопления и постоянной температуре рассола геотермального контура — 10 градусов (B10).

Коэффициент производительности различается в зависимости от типа теплового насоса. Для установок, испытанных в независимых лабораториях, среднее значение для тепловых насосов воздух-вода составляет около 3,2 (A2W35), а для тепловых насосов грунт / вода — 4,3 (B0W35). Тепловые насосы вода / вода имеют наилучшие показатели производительности — 5,4 (W10W35).

Однако есть определенный нюанс, поскольку при испытаниях для тепловых насосов с использованием грунтовых вод не учитывается электроэнергия, затрачиваемая на работу скважинного насоса. Кроме того, измерения проводятся при температуре низкопотенциального источника энергии при 10 ° C вместо 0 ° C как для геотермальных установок. Следовательно, тепловой насос вода / вода не обязательно является лучшим устройством, лучше только режим работы.

Реальный КПД теплового насоса

Теоретически максимально возможное COP в определенной рабочей точке соответствует обратной эффективности η в соответствии с идеальным циклом Карно. Его нельзя превзойти.

Подробнее о работе теплового насоса — принцип действия теплового насоса.

Из-за неидеальности и потерь теплового насоса реальный коэффициент полезного действия всегда ниже максимально возможного. Соотношение реального и идеального коэффициента производительности называется оценкой качества или КПД теплового насоса. На практике достигаются значения от 40 до 60 %.

Для получения более высокой эффективности теплового преобразования применяют различные методы. К этим методами можно отнести:

• Использование электронных дросселей протока. Замена механического дросселя на электронный — позволяет более точно поддерживать необходимое давление, а так же позволяет при одних и тех же режимах получать на 5-15% больше тепловой мощности с лучшей эффективностью.
• Применение компрессоров с дополнительным впрыском пара. Использование таких компрессоров сопровождается встраиванием в контур дополнительного теплообменника, в котором, поток фреона от конденсатора разделяется, и его часть подается напрямую в компрессор. При этом происходит увеличение на 10 – 30 % выработки тепловой мощности и эффективности теплового преобразования. Кроме повышения эффективности применение компрессоров такого типа позволяет расширить диапазон температур, при которых возможна работа теплового насоса. В частности, для тепловых насосов воздух/вода допустимая температура воздуха опускается до -20 ^оС, при этом водяной контур можно нагревать до 55-60 ^оС с пиками до 65 ^оС.

Сезонная эффективность теплового насоса (SPF)

Для описания эффективности работы теплового насоса используется показатель сезонной эффективности теплового преобразования SPF (Seasonal Performance Factor). Для его определения используется следующая формула:

, где

QH_i — количество выработанной тепловой энергии за месяц (в кВт*ч);

EH_i — количество потребленной электроэнергии за месяц (в кВт*ч);

n — количество месяцев отопительного сезона в году.

В соответствии с Европейскими директивами для определения степени экономии за весь отопительный период используется именно этот показатель. Чем выше данный показатель, тем меньше финансовые эксплуатационные затраты за сезон использования теплонасосной системы.