Skaičius atrodo įtartinai. Sunaudojama viena kilovatvalandė elektros, o į patalpą patenka trys ar keturios kilovatvalandės šilumos.
Pirma reakcija dažniausiai būna ta pati: taip negali būti, nes energija iš niekur neatsiranda. Reakcija teisinga. Tik energija čia ir neatsiranda – ji atkeliauja iš kitur.
Kur slypi atsakymas
Šilumos siurblys šilumos negamina, o perkelia ją iš vienos vietos į kitą, todėl sunaudota elektra skiriama ne šildymui, o perkėlimo darbui. Lauko oras net esant minus dešimčiai laipsnių turi didelį šiluminės energijos kiekį, nes absoliutus nulis yra apie minus 273 laipsnius – tai reiškia, kad žiemos oras termodinamiškai yra gana šiltas. Įrenginys šią išsklaidytą šilumą surenka, pakelia jos temperatūros lygį ir atiduoda patalpoje. Todėl energijos tvermės dėsnis nepažeidžiamas: naudingos šilumos yra daugiau nei sunaudotos elektros, bet ne daugiau, nei buvo paimta iš aplinkos ir įdėta darbo.
Kaip veikia ciklas
Visą procesą galima suskaidyti į keturis žingsnius.
- Garinimas. Lauko bloke šaltnešis esant žemam slėgiui verda ir virsta garais, sugerdamas šilumą iš lauko oro.
- Suspaudimas. Kompresorius pakelia garų slėgį, o kartu pakyla ir jų temperatūra.
- Kondensacija. Vidiniame bloke karšti garai virsta skysčiu ir atiduoda šilumą patalpai.
- Plėtimasis. Vožtuvas grąžina slėgį į pradinį lygį, ir ciklas kartojasi.
Svarbiausia detalė yra ta, kad šaltnešis verda ne prie šimto laipsnių, o prie neigiamos temperatūros. Būtent dėl to jis geba paimti šilumą iš šalto oro.
Tuo pačiu principu veikia ir šaldytuvas, ir oro kondicionierius, ir Oras oras tipo įrenginiai – skiriasi tik tai, į kurią pusę nukreipta šiluma ir kuris blokas laikomas naudinguoju.
Kodėl fazių virsmas toks svarbus
Čia slypi tikroji šio ciklo galia.
Norint pašildyti vandenį vienu laipsniu, reikia nedaug energijos. Norint tą patį vandenį paversti garais, reikia kelis šimtus kartų daugiau. Šis energijos kiekis vadinamas garavimo šiluma, ir jis sugeriamas nepakeliant temperatūros.
Šaltnešis išnaudoja būtent šį reiškinį. Keisdamas agregatinę būseną jis perneša daug energijos su nedideliu temperatūros skirtumu, o tai yra kur kas efektyviau nei tiesiog šildyti orą.
Ką reiškia efektyvumo koeficientas
Koeficientas rodo santykį tarp atiduotos šilumos ir sunaudotos elektros.
Jeigu jis lygus keturiems, vadinasi, iš vienos kilovatvalandės elektros gaunamos keturios kilovatvalandės šilumos. Elektrinio šildytuvo šis rodiklis visada yra maždaug vienetas – jis šilumos neperkelia, o gamina tiesiogiai.
Praktikoje svarbesnis sezoninis rodiklis, apskaičiuotas visam šildymo laikotarpiui su kintančia lauko temperatūra. Momentinė vertė gražiai atrodo lipduke, bet metinę sąskaitą lemia sezoninė.
Kodėl efektyvumas krenta šaltyje
Priežastis yra fizikinė riba, o ne konstrukcijos trūkumas.
Kuo didesnis temperatūrų skirtumas tarp to, iš kur šiluma imama, ir to, kur ji atiduodama, tuo daugiau darbo reikia jai perkelti. Tai aprašė dar Sadi Carnot devynioliktame amžiuje: teorinė riba priklauso tik nuo dviejų temperatūrų.
Todėl esant nuliui laipsnių įrenginys dirba efektyviai, o ties minus dvidešimt – jau pastebimai prasčiau. Realūs prietaisai pasiekia maždaug pusę teorinės Carnot ribos, ir tai laikoma geru rezultatu.
Kodėl tai nėra amžinasis variklis
Šis klausimas kyla beveik visiems, kurie apie principą girdi pirmą kartą.
Amžinasis variklis reikštų, kad energijos sukuriama daugiau, nei įdedama. Čia energija tik perskirstoma: aplinka atvėsta tiek, kiek patalpa sušyla, plius pridedama kompresoriaus darbo dalis.
Antrasis termodinamikos dėsnis sako, kad šiluma savaime keliauja tik iš šiltesnio kūno į šaltesnį. Priešinga kryptimi ji juda tik tada, kai atliekamas darbas – ir būtent už tą darbą mokama elektros sąskaitoje.
Kur mokslas susitinka su praktika
- Temperatūrų skirtumas svarbiau už galią. Kuo mažesnis, tuo pigiau.
- Pastovus darbas efektyvesnis nei šuoliai. Ciklinis įjungimas ir išjungimas švaisto energiją.
- Šilumos nuostoliai nulemia viską. Efektyvus įrenginys nesandariame name lieka efektyvus, bet sąskaita vis tiek didelė.
- Ledas ant lauko bloko yra normalus. Drėgmė kondensuojasi ir šąla, todėl periodiškai vykdomas atitirpinimas.
Paskutinis punktas dažniausiai kelia nerimą naudotojams, nors tai yra numatyta ciklo dalis.
Dažni klausimai
Ar iš tikrųjų minus dešimtyje laipsnių ore yra šilumos? Taip. Šiluma yra molekulių judėjimas, o jis sustoja tik ties absoliučiu nuliu.
Kodėl vasarą tas pats įrenginys vėsina? Ciklas apverčiamas – šiluma imama iš patalpos ir atiduodama į lauką.
Ar didesnė galia reiškia didesnį efektyvumą? Ne. Per didelė galia reiškia trumpus ciklus ir prastesnį sezoninį rodiklį.
Kas yra šaltnešis? Medžiaga, kuri lengvai keičia agregatinę būseną esant reikiamiems slėgiams ir taip perneša šilumą.
Ar galima pasiekti koeficientą, didesnį už dešimt? Teoriškai esant labai mažam temperatūrų skirtumui – taip, praktikoje buitinėse sistemose tokie rodikliai nepasiekiami.
Ką reiškia atitirpinimo ciklas
Žiemą ant lauko bloko keitiklio kaupiasi šerkšnas, ir tai nėra gedimas.
Priežastis paprasta: keitiklio paviršius yra šaltesnis už lauko orą, todėl ant jo kondensuojasi drėgmė ir užšąla. Ledas mažina šilumos mainų plotą, o kartu ir efektyvumą.
Todėl įrenginys periodiškai trumpam apverčia ciklą ir šiluma nukreipiama į lauko bloką, kad ledas nutirptų. Tuo metu patalpoje šildymas trumpam sustoja, o po bloku atsiranda vandens. Tai numatyta konstrukcijoje, ir dažniausiai visas procesas trunka kelias minutes.
Kodėl kintamas dažnis pakeitė viską
Senesnieji įrenginiai turėjo tik dvi būsenas: veikia arba neveikia.
Pasiekus nustatytą temperatūrą kompresorius išsijungdavo, po to vėl įsijungdavo, ir kiekvienas paleidimas kainuodavo energijos. Tokiu režimu vidutinis sezoninis efektyvumas krisdavo pastebimai.
Kintamo dažnio valdymas leidžia kompresoriui suktis lėčiau ir dirbti nuolat, palaikant temperatūrą be šuolių. Tai ne tik taupiau, bet ir tyliau, o patalpoje temperatūra svyruoja mažiau.
Vienas paprastas eksperimentas
Uždėkite ranką ant veikiančio šaldytuvo galinės grotelės.
Ten jaučiama šiluma yra ta pati, kuri buvo paimta iš maisto viduje – ir tai yra visas principas, tik mažesniu masteliu.