О реальной и потенциальной эффективности кондиционеров

Многих людей удивляет, что кондиционеры вырабатывают холода в три раза больше потребляемой мощности. Они не верят в это, вполне обоснованно полагая, что КПД не может быть 300%. Но еще меньше людей представляют себе, что такое на самом деле КПД кондиционера. И уж совсем немногие в курсе реальной эффективности кондиционеров по сравнению с их теоретическими возможностями. Давайте разберемся.

Степень термодинамического совершенства кондиционера

Эффективность кондиционера определяется научным термином «степень термодинамического совершенства», а он, в свою очередь, определяет, насколько холодильный цикл кондиционера близок к идеальному холодильному циклу. Предел эффективности (то есть идеальный цикл) устанавливается теоремой Карно (или вторым началом термодинамики, являющимся, по сути, следствием теоремы Карно), гласящей, что нет более эффективного теплового цикла, чем цикл Карно (или нет более эффективного холодильного цикла, чем обратный цикл Карно).

Как известно, эффективность холодильного цикла Карно выражается формулой E = T_х/(T_г-T_х), где T_x и T_г — выраженные в градусах Кельвина температуры соответственно холодной и горячей среды (в случае кондиционирования — это температуры воздуха в комнате и на улице).

Чтобы получить конкретную величину предельной эффективности необходимо выбрать эти температуры. Заметим, что кондиционеры проходят сертификацию европейской ассоциации EUROVENT при стандартных условиях, ею же и заданных. Для комфортных кондиционеров до 12 кВт условия следующие: T_х = 27 С = 300K в помещении и T_г = 35 С = 308K в окружающей среде.

Итак, предельная эффективность равна E_max = T_х/(T_г-T_х) = 300/(308—300) = 37,5. А значит, при использовании компрессора, потребляющего 1 кВт электроэнергии, мы должны получить в идеале 37,5 кВт холода. Еще раз отметим, что эта цифра учитывает затраченную мощность только компрессора, без учета энергопотребления вентиляторов внутреннего и наружного блоков, а также системы автоматики (контроллера). Но заглянем в каталоги кондиционеров. Что же мы видим? При мощности компрессора, к примеру, 4,6 кВт холодопроизводительность составляет 14,6 кВт, т. е. реальная эффективность составляет 14,6/4,6 = 3,2! А должно быть 37.5.

Теперь мы можем ответить на вопрос, какова же степень термодинамического совершенства кондиционеров. Она равна отношению реального холодильного коэффициента к идеальному. В нашем случае имеем: 3,2/37,5∙100% = 8,5%.

Итак, степень термодинамического совершенства современных кондиционеров составляет порядка 8–9%. Для примера скажем, что подобной эффективностью обладают первые паровозы и лампы накаливания. У паровозов эффективность резко падала из-за потери тепла через выхлопы, а лампы накаливания скорее отапливают помещение, чем освещают. Но где теряется эффективность в кондиционерах?

В чем же дело?

Самым распространенным мнением является то, что основные потери в кондиционере происходят в компрессоре как в главном энергопотребителе цикла. Однако, не углубляясь в процессы сжатия хладагента, скажем, что КПД современных компрессоров лежит в диапазоне 80–90%. Соответственно, выигранные в абсолютной величине 2–3% не изменят картину в относительных показателях.

Идеализация ТРВ даст аналогичный эффект: в частности, более эффективные электронные ТРВ позволяют заметно увеличить холодильный коэффициент при частичной тепловой нагрузке, но при полной нагрузке энергосбережение едва ли заметно.

Наконец, из основных компонентов кондиционера остаются два теплообменных агрегата — испаритель и конденсатор. Действительно, именно в процессах теплообмена скрыты огромные потери эффективности кондиционеров. И дело вовсе не в их конструкции. Проблема заключается в физике процесса.

Проблема теплообмена

Рис. 1. Реальный и теоретический цикл Карно на тепловой (температура — энтропия) диаграмме. А’В’C’D’ — реальный холодильный цикл* ABCD — теоретический холодильный цикл A’D’EF — площадь под реальным циклом ADEF — площадь под теоретическим циклом * — учтено только изменение температур Tг и Tx

Для процесса теплообмена необходима разность температур. Например, в конденсаторе хладагент остывает и конденсируется, следовательно, окружающий воздух должен быть холоднее хладагента. Чем выше разность температур между потоками, тем выше эффективность теплообмена. Самая высокая разность температур в конденсаторе на входе в него. Она составляет около 40°C. В этих условиях получаем самый эффективный теплообмен. Далее хладагент контактирует с воздухом, и его температура становится все ближе и ближе к температуре воздуха. Одновременно снижается температурный напор, а значит, и эффективность теплообмена.

Теоретически, чтобы хладагент достиг температуры окружающего воздуха, нам понадобится теплообменник бесконечной длины. На практике, конечно, длина ограничена разумными габаритами аппарата, а следовательно, температура хладагента на выходе из конденсатора не достигает температуры окружающего воздуха. Опыт показывает, что эта разность составляет около 10°C, иногда достигая 15°C (для примера пусть это будет 12°C). Аналогичная ситуация имеет место и в испарителе. Что это означает?

Это значит, что если в EURO­VENT заданы температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно 27 и 35°C, то температуры хладагента в контуре будут следующие: температура испарения 27–12 = 15°C и конденсации 35+12 = 47°C. Другими словами, из-за физики процесса теплообмена «холодная» и «горячая» температуры в цикле Карно составляют не Т_Хтеор = 27°C и Т_Гтеор = 35°C, а Т_Хреал = 15°C и Т_Греал = 47°C (288K и 320K, рис. 1), и именно их следует использовать в формуле эффективности холодильной машины.

Подставляя новые числа, получаем: E = 288/(320—288) = 9.0, а степень совершенства равна 9.0/37.5 = 24%. Таким образом, в конденсаторе и испарителе теряется 76% энергоэффективности кондиционера! Во всех остальных вместе взятых элементах теряется менее 20% эффективности.

На рис. 1 заштрихованные площади условно изображают затраченную на получение холода энергию. Красная площадь, соответствующая реальному циклу Карно, заметно больше синей, соответствующей теоретическому. Следовательно, и затраты на получение единицы холода в реальной ситуации гораздо выше (в 4 раза).

В то же время площадь под заштрихованными прямоугольниками изображает холодопроизводительность. То, что площадь под синим прямоугольником больше, означает, что и холодопроизводительность теоретического цикла выше (всего на 4%).

Таким образом, переходя от теории к практике, одновременно и растет стоимость единицы холода, и снижается количество получаемого холода. Заметим, что, соотнося пропорции роста и снижения, неверно говорить, что такой-то кондиционер теоретически может генерировать в несколько раз больше холода. Правильнее сказать, что он незначительно увеличит свою холодопроизводительность, но при этом его энергопотребление сократится в 4 раза.

Заключение

Подводя итоги, сделаем некоторые важные выводы.

Во-первых, не стоит удивляться, что холодопроизводительность кондиционера в 3 раза выше, чем его потребляемая мощность. В идеале это соотношение должно быть более чем в 10 раз больше.

Во-вторых, принципиальной преградой к существенному улучшению энергоэффективности современных кондиционеров являются процессы теплообмена. Их изучение и создание более эффективных теплообменников способны резко увеличить холодильный коэффициент кондиционеров.

Наконец, в-третьих, совершенствование кондиционеров приведет не к росту холодопроизводительности отдельно взятой модели, а к существенному снижению ее энергопотребления при практически той же генерируемой холодильной мощности.

По материалам Вестника УКЦ АПИК"