COP та ККД теплового насосу

Показники ефективності перетворення енергії

Історія розвитку термодинаміки і її застосування нерозривно зв’язана з показниками ефективності перетворення енергії. Базою для оцінки ефективності служать рівняння енергетичного і ексергетичного балансів. На цих рівняннях базуються енергетичні і ексергетичні показники ефективності перетворення енергії. Такі показники визначаються як відношення корисного ефекту до затрат на реалізацію цього ефекту. В класичній термодинаміці показники ефективності визначаються лише кількісною оцінкою енергетичних потоків. Як правило, такі безрозмірні показники ефективності в літературі відносились до коефіцієнтів корисної дії (ККД). Під назвою ККД використовувались різноманітні показники термодинамічної ефективності, в яких зіставляються якісно неоднорідні величини, наприклад, теплота і робота. Ігнорування якісних характеристик енергії приводить до плутанини в ККД в енергетиці і в результаті – до невірних рішень і економічних втрат. Введення поняття ексергії дозволило застосувати для всіх форм енергії єдину якісну характеристику і ввести універсальне визначення ККД як відношення якісно однорідних величин (ексергій). Такі ККД, змінюючись в межах від 0 до 1 (що цілком логічно), показують ступінь наближення до термодинамічно ідеального процесу і називаються ексергетичним ККД (в англомовній літературі Exergy Efficiency або Second Low Efficiency). Ексергетичний ККД дозволяє оцінити енергетичну досконалість процесу на основі Першого і Другого законів термодинаміки, врахувати при цьому не лише кількість, а і якість енергії. Це дозволяє зіставляти рівень енергетичної досконалості різних процесів, робити обґрунтований вибір найкращого, визначати принципову можливість і способи удосконалення процесу. Всі коефіцієнти ефективності, в яких якість енергії не враховується, почали називати Coefficient of performance, скорочено СОР, дослівно – коефіцієнт виконання, в нашій літературі – коефіцієнт перетворення енергії (КПЕ). Загальний ексергетичний підхід до визначення ККД не виключає використання СОР. Значення СОР дає корисну для практики інформацію, показуючи кількісно скільки за даних умов одержується корисної енергії на одиницю затраченої, тобто як система виконує своє призначення. Разом з тим СОР, на відміну від ексергетичного ККД, не дає об’єктивну інформацію щодо рівня енергетичної досконалості технічних систем. Причина в тому, що у визначені СОР якість енергії (Другий закон термодинаміки) не береться до уваги і результати невірно відображають рівень досконалості енергоперетворюючих процесів.

Відмінність між показниками ефективності КПЕ і ексергетичним ККД має фундаментальне значення, оскільки її ігнорування веде до неправильних рішень. Ексергетичний ККД тепер широко використовується в світі як в теоретичних роботах, так і на практиці в енергетиці і в других зв’язаних з нею галузях.

Загальний напрямок зниження ексергетичних втрат – це зменшення необоротності процесів (зменшення виробництва ентропії).

З такого загального положення витікає багато прийомів зниження втрат ексергії, починаючи з найпростіших методів (таких, як збільшення поверхні теплообмінників) до внесення кардинальних змін в технологію. Інформація про необоротності допомагає також зрозуміти ідеї,які лежать в основі дії енергоперетворюючих систем, і тенденції їх розвитку. Таким чином, економія енергоресурсів завжди зводиться в кінцевому рахунку до збереження якості енергії - ексергії, до боротьби проти виробництва ентропії.

Термодинамічно ідеальним є оборотне перетворення енергії без втрат ексергії (якості). Проте практично досягнути його неможливо, оскільки при цьому незмірно зростають затрати на устаткування. В реальних процесах при зменшенні необоротностей (втрат ексергії), з одного боку, досягається економія паливно-енергетичних ресурсів, з іншого – ростуть затрати на устаткування і навпаки. Оскільки зменшення втрат ексергії вимагає, як правило, додаткових інвестиційних затрат, то технічно і економічно найбільш сприятливе рішення допускає певні втрати ексергії, які відповідають мінімальним затратам на устаткування і його експлуатацію. Поєднання економічного аналізу з ексергетичним реалізується у відносно новій і перспективній науці, яка називається термоекономікою (ексергоекономікою). Ексергетичний метод при його правильному використанні надасть суттєву допомогу при вирішенні важливих задач економії енергетичних і матеріальних ресурсів.

Коефіцієнт перетворення енергії COP теплового насосу обраховується за формулою:

СOP = Tout/(Tout-Tin),

Де Tout - температура системи опалення, в кельвінах, Tin - температура джерела тепла з якого відбирається тепло,в кельвінах. Його ще іноді називають коефіцієнтом температурної трансформації або коефіцієнт перетворення теплоти. ККД теплового насосу обраховується за іншою формулою, але це зовсім інша історія. Потрібно розуміти, що дане значення буде максимальним для процесу в даному температурному діапазоні. Практичне значення буде суттєво нижче, так як описувалось вище на нього будуть впливати необоротності або ентропія, що буде утворюватись в реальному тепловому насосі. Це значення буде хіба що орієнтиром, при виборі типу теплового насосу реальним споживачем. Це значення буде спиратися на температурний діапазон, що утвориться від вибору клієнтом типу теплового насосу, а отже і температури джерела тепла, та типу системи опалення, наприклад тепла підлога - низькотемпературна, радіатори - високотемпературна. Інформація взята з навчального посібника “Енергетичні та ексергетичні підходи до проблеми раціонального використання енергії” Куделя П.П. Київ 2022р.