Зимнее отопление мобильным сплит-кондиционером: тепловые насосы против электрических конвекторов

Мобильный сплит-кондиционер, работающий в реверсивном режиме, — одно из самых энергоэффективных отопительных устройств, доступных европейским потребителям, — однако большинство покупателей приобретают его исключительно для летнего охлаждения и никогда не включают функцию теплового насоса зимой. В отличие от электрического конвектора, который преобразует электричество в тепло с фиксированным соотношением 1:1, мобильный сплит-кондиционер в режиме отопления извлекает тепловую энергию из наружного воздуха и переносит её внутрь, обычно доставляя от 2,5 до 4,5 единиц тепла на каждую единицу потреблённой электроэнергии. Понимание эффективности зимнего отопления мобильным сплит-кондиционером начинается с двух показателей: COP и SCOP.

Что такое COP и как он определяет производительность теплового насоса в отоплении?

COP (коэффициент производительности — мгновенное отношение тепловой мощности на выходе в ваттах к потребляемой электрической мощности в ваттах, оба измеряются в одной рабочей точке) — фундаментальный показатель эффективности теплового насоса. Современный мобильный сплит-кондиционер в режиме отопления достигает COP 3,0–4,5 при стандартном условии испытаний EN 14511: 7°C снаружи и 20°C внутри. Электрический конвектор, независимо от бренда или мощности, всегда имеет COP ровно 1,0, потому что резистивный нагрев не может превысить 100% эффективности преобразования.

Физика, стоящая за COP больше 1,0, — это обратный цикл хладагента. В летнем режиме охлаждения наружный змеевик отдаёт тепло от хладагента в наружный воздух. Зимой цикл разворачивается: наружный змеевик испаряет хладагент при температуре ниже температуры наружного воздуха, поглощая тепло из этого холодного воздуха в хладагент. Затем компрессор повышает давление и температуру хладагента, чтобы внутренний змеевик мог отдать это собранное тепло внутрь помещения. Большая часть тепла, доставляемого внутрь, изначально содержалась в наружном воздухе — потребляемое электричество питает лишь компрессор и вентиляторы.

При европейском бытовом тарифе на электроэнергию €0,28/kWh (среднее по домохозяйствам Eurostat 2023) тепловая мощность 1000 Вт от теплового насоса с COP 3,5 обходится примерно в €0,08 в час. Те же 1000 Вт от электрического конвектора стоят €0,28 в час — в 3,5 раза дороже. Проработайте обогреватель спальни 1200 часов за центральноевропейскую зиму, и годовая экономия на комнату приблизится к €240.

Как цикл хладагента извлекает тепло из наружного воздуха ниже нуля?

Реверсивный тепловой насос испаряет хладагент в наружном змеевике при температуре значительно ниже температуры окружающего наружного воздуха — обычно с температурой поверхности от -10°C до -20°C даже когда наружный воздух имеет +2°C. Поскольку поверхность змеевика холоднее воздуха, тепло естественным образом перетекает от воздуха к змеевику. Хладагент выходит как пар низкого давления, поступает в компрессор и выходит как газ высокой температуры и высокого давления. На внутреннем змеевике этот горячий газ конденсируется, высвобождая захваченную тепловую энергию в комнату. Современные мобильные сплит-системы надёжно выполняют этот цикл вплоть до -15°C, а в некоторых моделях нового поколения — до -25°C наружной температуры.

Этот процесс эффективен, потому что даже очень холодный воздух содержит значительную тепловую энергию. При -10°C кубический метр сухого воздуха содержит примерно 1,26 кДж явного тепла, которое можно извлечь до достижения абсолютного нуля. Компактный наружный модуль, прогоняющий 500 м³ воздуха в час через свой испаритель, имеет доступ к значительному тепловому потоку даже холодной североевропейской зимой. Ограничивающим фактором является не энергосодержание воздуха, а перепад давления, который должен поддерживать компрессор — он растёт по мере падения наружной температуры, постепенно снижая COP.

Как изменяется COP в типичном европейском зимнем диапазоне температур?

COP — не фиксированная характеристика, это кривая. По мере падения наружной температуры компрессор должен работать интенсивнее, чтобы поддерживать перепад давления, приводящий в движение тепловой поток, потребляя больше электроэнергии на единицу доставленного тепла. Современная мобильная сплит-система на базе инвертора поддерживает высокий COP при большинстве центральноевропейских зимних температур, но производительность существенно ухудшается ниже -7°C — точки, в которой измерения COP наиболее показательны при сравнении моделей.

Даже при -15°C — холоднее, чем средний январский минимум в большей части Франции, Германии и Великобритании — современная инверторная мобильная сплит-система поддерживает COP уверенно выше 1,0, что означает, что режим теплового насоса всё ещё доставляет больше тепловой энергии за евро, чем резистивный нагрев. Сравнение становится невыгодным для тепловых насосов лишь ниже примерно -22°C — температур, которые встречаются в альпийских регионах и Скандинавии, но редко в большинстве домов Западной и Центральной Европы, где чаще всего используются мобильные сплит-системы.

Почему маркетинговые заявления о работе при минус 25°C заслуживают внимательного прочтения

Несколько производителей мобильных сплит-систем рекламируют работу в режиме отопления до -25°C или ниже. Хотя технически это верно — устройство не отключается при этой температуре — номинальная теплопроизводительность при -25°C обычно составляет 40–60% от номинальной при 7°C, а соответствующий COP при независимых испытаниях часто равен 0,9–1,4. При COP 1,2 тепловой насос едва превосходит резистивный обогреватель, и эксплуатационное преимущество по сути исчезает. Покупателям в климатах с устойчивыми зимами ниже -15°C следует требовать указанный производителем COP именно при -15°C и -7°C, а не только при 7°C, и рассматривать заявку в -25°C как порог защиты от замерзания, а не как характеристику производительности.

Что такое SCOP и как энергетическая этикетка ЕС его представляет?

SCOP (сезонный коэффициент производительности — средневзвешенное значение COP за полный отопительный сезон при нескольких наружных температурах, рассчитанное по методологии EN 14825 и представляющее усреднённую европейскую климатическую зону) — показатель, отображаемый на энергетической этикетке ЕС для сплит-кондиционеров с функцией теплового насоса. Современная мобильная сплит-система достигает SCOP 3,5–5,0 в среднем климате ЕС. SCOP выше 4,0 обычно соответствует классу энергетической этикетки ЕС A++ или A+++ для отопления.

SCOP практически полезнее любого одноточечного показателя COP, потому что он взвешивает производительность устройства по реальному распределению температур европейской зимы. Устройство с отличным COP при 7°C, но плохой эффективностью при 0°C, получит худший SCOP, чем устройство, сохраняющее высокую производительность во всём рабочем диапазоне. Инверторные компрессоры вносят непропорционально большой вклад в SCOP, потому что их работа с переменной скоростью поддерживает высокую эффективность при умеренных нагрузках, которые доминируют большую часть отопительного сезона.

Улучшает ли хладагент R290 отопление в холодном климате по сравнению с R32?

R290 (хладагент пропан — природный углеводород) обладает более высокой скрытой теплотой парообразования, чем R32 (дифторметан), при типичных рабочих температурах теплового насоса — примерно 425 кДж/кг против 360 кДж/кг — что означает, что больше тепловой энергии можно поглотить на килограмм хладагента, испарённого в холодном наружном змеевике. Это термодинамическое свойство способствует несколько более высокому COP в хорошо оптимизированных системах на R290 при температурах ниже 0°C по сравнению с устройствами на R32 эквивалентного размера. Лучшие мобильные сплит-системы на R290 в диапазоне 9000–12000 BTU достигают значений SCOP, конкурирующих с лучшими устройствами на R32 или превосходящих их, при этом также соответствуя будущим требованиям ЕС по F-газам.

Как циклы разморозки влияют на реальную эффективность зимнего отопления?

Циклы разморозки — автоматические события, в которых устройство временно реверсирует поток хладагента, чтобы растопить иней, накопившийся на наружном змеевике при температурах примерно от -5°C до +7°C во влажных условиях. Каждое событие разморозки длится 3–7 минут, в течение которых не происходит значимой доставки тепла внутрь — внутренний змеевик ненадолго работает как испаритель, извлекая небольшое количество тепла из комнаты, а не добавляя его. Влажной североевропейской зимой с частыми околонулевыми ночами циклы разморозки могут снизить сезонную теплопроизводительность на 5–15% от значения теста SCOP.

Частота событий разморозки определяется больше наружной влажностью, чем наружной температурой. Сухая ночь при -8°C в континентальном климате запускает гораздо меньше циклов разморозки, чем влажная ночь при +3°C в морском климате — вот почему мобильные сплит-системы в Великобритании и на побережье Франции могут размораживаться чаще, чем идентичные устройства, размещённые в более холодном, но более сухом центральноевропейском месте. Премиальные устройства обнаруживают накопление инея по перепаду давления на змеевике, а не по фиксированному таймеру, сокращая ненужные события разморозки и восстанавливая эффективность.

Использовал свою мобильную сплит-систему в режиме теплового насоса две зимы вместо покупки электрического масляного радиатора для запасной комнаты. Счета за электричество были заметно ниже — по моей оценке, примерно вдвое дешевле резистивного отопления. Она немного слабеет ниже минус 5°C, но продолжает работать и всё равно выигрывает у конвектора по стоимости.

Итог по эффективности зимнего отопления мобильным сплит-кондиционером

Эффективность зимнего отопления мобильным сплит-кондиционером, основанная на физике реверсивного теплового насоса, обеспечивает реальное преимущество в энергии в 2,5–4,5 раза над резистивным электрическим отоплением во всём диапазоне температур, встречающемся в большинстве европейских климатов. COP снижается при очень низких температурах, но остаётся выше 1,0 для подавляющего большинства североевропейского и центральноевропейского отопительного сезона. SCOP даёт наиболее точное сезонное сравнение моделей, а инверторные компрессоры с низкими минимальными рабочими частотами являются главным драйвером высоких значений SCOP.

Мобильные сплит-системы, предлагающие как летнее охлаждение, так и зимнее отопление, всё чаще становятся разумным выбором для европейских домохозяйств, стремящихся заменить свои электрические конвекторы — и они раскупаются каждое лето ещё до начала отопительного сезона.