COP и КПД теплового насоса
Показатели эффективности преобразования энергии
История развития термодинамики и ее использование неразрывно связана с показателями эффективности преобразования энергии. База для оценки эффективности обслуживания уровня энергетического и эксергетического баланса. На этих уровнях базируются энергетические и эксергетические характеристики эффективности преобразования энергии. Такие показатели определяются как отношение полезного эффекта к затратам на реализацию этого эффекта. В классической термодинамике характеристики эффективности начинаются только с количественной оценкой энергетических потоков. Как правило, такие безразмерные показатели эффективности в литературе относили к коэффициентам полезного действия (КПД). Под названием КПД использовались разнообразные показатели динамической термоэффективности, в которых сопоставляются качественно неоднородные величины, например теплота и работа. Игнорирование качественных характеристик энергии приводит к путанице в КПД в энергетике и в результатах – к неверным решениям и экономическим затратам. Введение понятия эксергии позволило производить для всех форм энергии единую качественную характеристику и ввести универсальное определение КПД как отношение качественно однородных величин (эксергий). Такие КПД, изменяясь в пределах от 0 до 1 (что соответствует логически), показывают степень приближения к термодинамически идеальному процессу и называются эксергетическим КПД (в английской литературе Exergy Efficiency или Second Low Efficiency). Эксергетический КПД позволяет оценить энергетическое совершенство процесса на основе Первого и Второго законов термодинамики, учесть при этом не только количество, но и качество энергии. Это позволяет установить уровень энергетического совершенства разных процессов, сделать обоснованный выбор наилучшего, определить принципиальную способность и способы усовершенствования процесса. Все коэффициенты эффективности, в которых качество энергии не учитывается, стали называть Coefficient of performance, сокращены СОР, дословно – коэффициенты эффективности, в нашей литературе – коэффициенты преобразования энергии (КПЭ). Общий эксергетический подход к определению КПД не исключает использования СОР. Значение СОР дает полезную для практики информацию, показывая несколько раз при сохранении полезной энергии на единицу затраченной, то есть как система выполняет свое назначение. Вместе с тем СОР, в отличие от эксергетического КПД, не дает объективную информацию об уровне энергетического совершенства технических систем. Причина тому, что при определении СОР качество энергии (Второй закон термодинамики) не в счет и результаты неверно отражают уровень совершенства энергопреобразующих процессов.
Различие между показателями эффективности КПЭ и эксергетическим КПД имеет фундаментальное значение, поскольку ее игнорирование ведет к неправильным решениям. Эксергетический КПД теперь широко используется в мире как в теоретических работах, так и на практике в энергетике и других связанных с ней отраслях.
Общее направление понижения эксергетических утрат – это уменьшение необратимости действий (уменьшение производства энтропии).
Из такого общего положения следует много приемов снижения потери эксергии, начиная с простейших методов (таких, как повышение поверхности теплообменников) до внесения кардинальных изменений в технологию. Информация о необратимости также подразумевает идеи, лежащие на основе действия энергопреобразующих систем, и тенденции их развития. Таким образом, экономика энергоресурсов всегда сводится в конечном счете к сохранению качества энергии – энергии, к борьбе против производства энтропии.
Термодинамически идеальным является обратимое преобразование энергии без потери эксергии (качества). Однако практически добиться его невозможно, если при этом неизмеримо возрастают затраты на оборудование. В настоящих действиях при понижении необратимости (с другой стороны эксергии), с одной стороны, достигается экономия топливно-энергетических ресурсов, с другой – рост издержек на оборудование и напротив. При уменьшении расхода энергии, как правило, дополнительных инвестиционных затрат, то технически и экономически наиболее благоприятное решение допускает определенные потери энергии, связанные с минимальными затратами на установку и ее эксплуатацию. Сочетание экономического анализа с эксергетическим реализуется в новой и перспективной науке, называемой термоэкономикой (эксергоэкономикой). Эксергетический метод при его правильном использовании оказать существенную помощь в решении важных задач экономии энергетических и материальных ресурсов.
Коэффициент преобразования энергии COP теплового насоса вычисляется по формуле:
СOP = Tout/(Tout-Tin),
гдe Tout – температура системы отопления, в кельвинах, Tin – температура источника тепла из которого отбирается тепло, в кельвинах. Его иногда еще обозначают коэффициентом температурной трансформации или коэффициентом превращения теплоты. КПД теплового насоса обрабатывается по другой формуле, но это вообще другая история.
Следует понимать, что данное значение будет максимальное для процесса в данном температурном диапазоне. Практическое значение будет существенно ниже, так как описывалось выше на него будут влиять необратимости или энтропия, которая будет образовываться в реальном тепловом насосе. Это значение будет как бы ориентиром, при выборе типа теплового насоса реальным потребителем. Это значение будет опираться на температурный диапазон, образующийся от выбора клиентом типа теплового насоса, а следовательно и температуры источника тепла и типа системы отопления, например теплый пол - низкотемпературный, радиаторы - высокотемпературный.
Информация взята из учебного пособия "Энергетические и эксергетические подходы к проблемам рационального использования энергии" Куделя П.П. Киев 2022г.
