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?
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.
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.