Почему тепловой насос дает больше тепла чем потребляет
Принципиальный вопрос о том, почему тепловой насос даёт больше тепла, чем потребляет энергии, имеет свои логичные объяснения. Некоторых наблюдателей приводит в замешательство ситуация, при которой выясняется, что коэффициент полезного действия (КПД) больше единицы. Как же складывается такая ситуация на практике?
Тепловые насосы и закон сохранения энергии
На самом деле невозможна ситуация, при которой энергия берётся из пустоты. Как и предполагает закон сохранения энергии, тепло в любом случае получается в результате различных процессов, когда разные виды энергии преобразуются друг в друга. Что касается теплового насоса, то в некоторых ситуациях, анализируя его, исходят из принципов «чёрного ящика», что даёт возможность считать, будто бы его КПД принципиально больше единицы.
На самом деле такие расчёты попросту не учитывают весь процесс, в результате которого образуется тепловая энергия — кроме, конечно, электроэнергии, которую потребляет устройство. Между тем у теплового насоса есть и другие источники, из которых он получает энергию. Их роль может играть нагретый водный или воздушный объём. Причём речь не идёт о нагреве за счёт электричества: нагрев может происходить в том числе благодаря солнечной энергии или геотермальным процессам.
Электрическая энергия, которая используется в устройстве, не расходуется на сам нагревательный процесс. Вместо этого она расходуется на то, чтобы «концентрировать» энергию внешнего источника с низким потенциалом. Обычно за счёт этого обеспечивается энергией компрессор. Подробнее об их установке можно посмотреть в статье https://nenergy.com.ua/montaj/teplovye-nasosy/.
Таким образом, получается, что источником энергии у теплового насоса два. Во-первых, это электроэнергия. Во-вторых, это ещё один источник тепла с низким потенциалом. При этом второй источник при расчётах зачастую не учитывается. За счёт этого и получаются значения коэффициента полезного действия больше единицы, что многим кажется нарушением закона сохранения энергии.
Примеры расчётов КПД
Если устройство потребляет из электросети один киловатт, а потребителю отдаёт три киловатта, то потребитель может считать, что КПД этого насоса: 3/1 = 3. Однако при этом потребитель не учитывает внешний источник энергии. Предположим, из него тепловой насос забирает четыре киловатта.
В таком случае расчёт КПД уже будет выглядеть иначе: 3/(1 + 4) = 0,6. Однако во многих случаях довольно трудно оценить, сколько энергии на самом деле тепловой насос забирает из внешнего источника, кроме электросети. Из-за этого и возникает ошибка.
Чтобы избегать подобного, были введены новые коэффициенты: coefficient of performance (COP) демонстрирует, насколько тепловая энергия, которую получает потребитель, больше, чем количество работы, которая нужна, чтобы перенести тепло от внешнего источника с низким потенциалом; степень термодинамического совершенства демонстрирует, насколько истинный тепловой цикл устройства приближается к совершенному.
