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 = Tх/(Tг-Tх), где Tx и Tг — 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: Tх = 27 С = 300K в помещении и Tг = 35 С = 308K в окружающей среде.
Итак, предельная эффективность равна Emax = Tх/(Tг-Tх) = 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 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 Соответственно, выигранные в абсолютной величине 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 = 15°C и конденсации 35+12 = 47°C. Другими словами, из-за физики процесса теплообмена «холодная» и «горячая» температуры в цикле Карно составляют не ТХтеор = 27°C и ТГтеор = 35°C, а ТХреал = 15°C и ТГреал = 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»
Отопление дома кондиционером — тепло ли, выгодно ли?
Каждый современный инверторный кондиционер может работать не только на охлаждение, но и на обогрев.
Получается, что данным прибором по идее, можно пользоваться круглый год, а не только в период летней жары.
Установив хороший кондиционер в качестве основного источника отопления, вы избавляетесь от проблем с наладкой и эксплуатацией газового или твёрдотопливного котла.
Из комнат исчезают батареи и трубы отопления. Не нужно ломать голову как лучше проложить систему. Какими трубами протянуть подачу и обратку от котельной, дабы минимизировать потери. 
Как отрегулировать температуру в контурах. И многое, многое другое.
С кондиционером же все просто и понятно. Выбрали место установки, заплатили за монтаж 10-15 тыс., либо сделали это самостоятельно, включили и пользуйтесь. 
Однако при этом не забывайте, что фактически подобным образом вы переходите на отопление электричеством. Все кондиционеры то подключаются от розетки.
И тут возникает закономерный вопрос, а насколько выгодно подобное отопление? Не будет ли оно убыточно по сравнению с теми же обогревателями или конвекторами?
Чтобы понять это, давайте разбираться во всех технических особенностях и нюансах.
В российском ютубе полно роликов про воздушные тепловые насосы на кондиционерах, и почему то везде прослеживается четкая тенденция, что если кто-то их ругает, то обязательно упускает плюсы прибора и раздувает минусы, и наоборот.
В этой статье будут затронуты как положительные, так и отрицательные стороны вопроса.
Прежде чем задумываться об отоплении кондиционером, проверьте теплоизоляцию и энергоэффективность своего дома. 
Если она никудышная, то какой-бы мощности агрегат вы не поставили, зимой вы не согреетесь. И вид отопления здесь будет не причем.
Не зря говорят – самое лучшее отопление, это утепление! Когда с этим у вас все в порядке, можно приступать к выбору кондиционера.
Для начала вспомним как работает обычный аппарат. Вот его принципиальная технологическая схема.
Любой кондиционер представляет из себя подобие теплового насоса. То есть, он перекачивает тепловую энергию между двумя теплообменниками.
Принцип работы при охлаждении следующий. Вся система заполняется специальной жидкостью – фреоном.
Встроенный компрессор во внешнем блоке сжимает его, что заставляет фреон разогреваться. Далее, проходя через конденсатор, он обдувается потоками воздуха и охлаждается, переходя в жидкое состояние.
Так как компрессор все еще продолжает нагнетать в системе избыточное давление, фреон двигается дальше и достигает расширительного клапана или регулятора потока.
В этом холодном состоянии он попадает во второй теплообменник или испаритель. При этом его температура здесь значительно ниже температуры окружающей среды.
Вследствие чего, фреон забирает из нее избыточное тепло и продолжает свое шествие, возвращаясь обратно в компрессор. Цикл завершается и все повторяется по второму кругу.
Принцип работы кондиционера на обогрев обратный охлаждению. При этом в современных устройствах монтировать что-либо дополнительно не нужно.
Вся разница как раз-таки и пойдет на теплоотдачу.
Главное преимущество этой схемы заключается в том, что на работу компрессора затрачивается гораздо меньше эл.энергии, чем на выработку соответствующего количества тепла, которое кондиционер способен перекачать между двумя теплообменниками.
Компрессор вообще перестанет выключаться, будет работать на максимуме своих возможностей и в конце концов сгорит.
Чтобы можно было греться при более низких температурах, придумали инверторные модели.
Что такое инверторный кондиционер и чем он отличается от простого? Традиционный прибор работает по незамысловатой схеме – нагрел воздух до определенной температуры и тут же выключили компрессор. Так называемая система ON-OFF.
То есть, компрессор в определённые промежутки времени либо работает, либо нет. А вот в инверторных моделях имеется возможность не полного отключения компрессора, а снижения его номинальной мощности.
За счет чего это происходит? За счет двойного преобразования эл.тока.
Первоначально стандартное переменное напряжение из розетки в 220В преобразуется в постоянное. А уже затем, постоянный ток с помощью инвертора опять превращается в переменный, но уже не с привычной частотой в 50Гц, а с произвольной.
Регулируя и изменяя эту самую частоту, можно регулировать обороты ротора компрессора, а значит и изменять мощность в процессе работы.
Вы спросите, зачем все эти заморочки с частотой и мощностью, и что они конкретно дают? А дают они несколько преимуществ:
Во-первых, он может попросту не запуститься и уйти в защиту. Но если все-таки начнет работать, то его КПД упадет в разы, как и температура у вас в доме.
Если такая низкая температура будет держаться несколько дней подряд, масло в аппарате загустеет.
При работе, для более качественного обогрева помещения, все инверторные модели должны уметь направлять поток воздуха вертикально вниз. В этом случае комната будет прогреваться гораздо быстрее. Греть потолок теплым воздухом особого смысла нет.
Некоторые из-за этой особенности советуют размещать внутренний блок как можно ниже, на уровне 0,5м от пола. Правда летом такой холод для ног будет весьма неприятен.
Так что ищите компромисс.
Однако возможность режима работы при низких отрицательных температурах не главное. На чем же еще следует сделать акцент при выборе инверторного кондиционера, дабы его работа создавала достаточное количество тепла в доме и при этом была выгодна?
За это отвечает коэффициент COP (Coefficient of Performance) – коэффициент эффективности или преобразования. Его можно найти в полном перечне характеристик.
COP – это отношение тепловой производительности кондиционера в режиме работы на обогрев, к его электрической мощности, то есть к тому, сколько он потребляет электричества из розетки.
Какое значение COP считается хорошим? У лучших моделей оно достигает 5 единиц. От 3,5 до 4,0 это средние параметры.
Например, cop=3.61 означает, что при мощности в 1квт, такой инвертор способен закачать за 1час в помещение тепловую мощность в 3,61квт.
Аналогичный параметр при работе на охлаждение называется коэфф. EER. Он показывает сколько тепловой мощности откачивается из помещения сообразно затраченной электрической мощности кондиционера.
Чем больше COP, тем выгоднее и дороже кондиционер. Как уже говорилось выше, хорошим значением является COP=5,0. Имея такой аппарат, потратив за 1час один киловатт эл.энергии, вы загоните в свое помещение 5квт тепла.
Насколько это выгодно? При нынешних ценах за электричество, 1квт тепла при обогреве таким кондиционером в Москве или области будет обходиться вам примерно в 1 рубль.
В отдельных регионах затраты будут раза в полтора меньше. Вроде получается, что это даже дешевле чем отопление на дровах, не говоря уже об обогреве другими электрическими приборами.
При понижении уличной температуры COP будет уменьшаться, так же как и при увеличении комнатной. Если у лучших японских инверторов COP составляет 5,0 при уличной температуре t=+7C и комнатной +20С, и вы захотите раскочегарить комнату до +30С без изменения уличных параметров, COP тут же упадет до 4,0-4,5.
Ну и что, скажете вы. Это же все равно выгоднее и дешевле в 2 раза, чем топиться масляной батарей или конвектором. На самом деле не совсем так.
Прибавьте сюда же лишние киловатты на обогрев поддона и картера компрессора. Что в итоге остается?
Если же COP изначально был невысоким (бытовая модель), то и вовсе никакой выгоды вы не получите. Это все равно что купить 2-х киловаттный теплодуйчик и повесть его под потолком.
Поэтому смотрите на среднегодовую температуру зимой в своем регионе и при наличии продолжительных холодов, покупайте кондиционеры с расчетом эффективности COP от 4-х и выше.
Чтобы понять эффективность той или иной модели, нужно сравнить их графики COP в зависимости от окружающей температуры.
Энергоэффективность настоящих Зубаданов в зависимости от региона вашего проживания и средней температуры зимой, можно рассчитать на удобном онлайн калькуляторе сайта митсубиши вот здесь.
Исходя из вышеприведенных таблиц, можете делать свой выбор. Полные данные наиболее популярных и эффективных марок с протоколами испытаний, доступны по ссылке отсюда (сайт на финском, пользуйтесь гугл переводчиком).
Если изначально COP на приборе нигде не указан, его можно рассчитать самостоятельно. Для этого разделите тепловую мощность, которая прописывается на шильдике устройства, на потребляемую электрическую мощность.
Как подобрать мощность кондиционера согласно площади помещения читайте в отдельной статье. 
Как правильно перевести кондиционер на тепло? Во-первых, убедитесь, что он действительно рассчитан на работу при отрицательных температурах воздуха. Уточните по документации предельные градусы.
Переключение из режима охлаждения в режим обогрева осуществляется при помощи пульта ДУ.
В меню или на кнопках выбирайте режим Heat, либо клавишу со значком солнышка.
Обратите внимание, в некоторых пультах, пока вы не вытащите батарейки и не вставите их обратно, значок “солнышко” у вас на экране не появится. Это так называемая защита от детей, чтобы они случайно не перевели кондиционер на тепло в летний период.
Запомните, теплый воздух начинает идти не сразу, а спустя 5-10 минут.
Зимой кондиционер с определенной периодичностью уходит в оттайку. Обычно это происходит один раз в 40-60 минут.
При длительной работе с отрицательными температурами его радиатор обмерзает, эффективность падает и система начинает с этим самостоятельно бороться.
Многие ошибочно считают, что внешний блок в данном случае отогревается какими-то встроенными тэнами. Это не так.
Просто происходит переключение направления его работы. То есть, горячий фреон из внутреннего блока начинает поступать в наружный. И тот в течение нескольких минут оттаивает.
Длительность и периодичность циклов оттайки зависит от степени обледенения и контролируется датчиками. Хотя в недорогих вариантах это происходит просто согласно запрограммированному времени.
Оттаявшая с решеток радиатора вода, стекает в поддон и лед начинает скапливаться уже там. Если его не убрать, он выгибает и деформирует трубки теплообменника. Вот наглядные последствия такого обмерзания.
Иногда он добирается даже до вентилятора. Чтобы подобного не происходило, выбирайте модели со встроенным в поддон кабелем подогрева.
Если у вас его нет, придется каждый раз снимать крышку аппарата и горячим чайником проливать обмерзшие места. Вручную сбивать ничего нельзя, иначе на морозе сделаете только хуже.
В сутки может набежать порядка 2квт.
В поддон не навороченных моделей, можно встроить свой кабель, выведя провода для подключения отдельной цепью. На конец кабеля приделываете вилку и включаете ее через таймер розетку.
Для того, чтобы определить оптимальное время работы, понаблюдайте за кондиционером несколько дней и зафиксируйте моменты образования наледи.
Обратите внимание, если кондей у вас новый, никаких отверстий под крепеж кабеля и дополнительный слив воды сверлить нельзя, иначе лишитесь гарантии. Умельцы для фиксации кабеля применяют неодимовые магнитики.
Подобный кабель используется при обогреве кровли или для теплых полов на улице. 
Кроме поддона пару тройку витков такого провода делают вокруг компрессора. При морозах это не дает загустеть маслу и облегчает пуск устройства.
В этих устройствах компрессор имеет немного другую конфигурацию обмотки. Кроме того, клапана в них рассчитаны на разные режимы давлений конденсация/кипение.
При работе на тепло вам нужно прогревать всего две вещи:
