Что такое тепловой насос в электромобиле? Как он работает и для чего нужен?

Что такое тепловой насос в электромобиле?

Многие исследования показывают, что системы климат-контроля (отопление и кондиционирование воздуха; HVAC) являются самой большой системой потребления энергии в электромобиле, данные показывают, что водитель может ожидать потери в среднем 30-40% запаса хода, используя обычные системы обогрева.

Поскольку волнение по запасу хода является основной проблемой, препятствующей широкому внедрению электромобилей, производителям автомобилей крайне важно модернизировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования, чтобы они были более эффективными.

Тепловые насосы для электромобилей — это еще одна инновация, «повышающая эффективность». По сути, тепловой насос работает по тому же принципу, что и рекуперативное торможение, то есть улавливает «израсходованную энергию», чтобы повторно ее использовать (переработать) для улучшения запаса хода.

Тепловой насос не является новой технологией и на самом деле подобные технологии используются уже несколько десятилетий, в частности, в бытовой технике, таких как холодильник (похоже, но наоборот).

Однако, относительно электромобилей он относительно новый: в 2012 году японский производитель автомобилей Nissan стал первым, кто установил тепловой насос в полностью электрический автомобиль Nissan Leaf.

Какие есть системы обогрева для электромобилей?

В обычных бензиновых и дизельных транспортных средствах, энергия (отработанное тепло), выделяемая двигателем (силовым агрегатом), улавливаются для повторного использования для обогрева внутренней кабины автомобиля.

Учитывая, что электромобили почти не имеют отработанного тепла, которое можно было бы отправить в салон, они полностью полагаются на электроэнергию для производства тепла, которое можно разделить на две основные категории: резистивное отопление и тепловые насосы.

Резистивный нагрев (обычный обогреватель который установлен в большинстве автомобилей) – похож на обогреватель для вашего дома. Электричество проходит через проводник для производства тепла, и это тепло устремляется в кабину через вентилятор. Хотя почти 100% потребляемой энергии превращается в тепло, это энергоемкий процесс. Если вы забираете энергию от батареи, чтобы превратить ее в тепло, это будет прямым ударом в ваш радиус действия.

Тепловой насос – этот метод очень похож на кондиционирование воздуха, но инвертирован. Воздух забирается снаружи и проходит через конденсатор, содержащий хладагент. Этот раствор сжимается, что повышает температуру, позволяя горячему воздуху закачиваться в кабину. Этот процесс, хотя и энергоемкий, гораздо более эффективен.

Сколько запаса хода электромобиля теряется во время обогрева салона?

Как показывают исследования, электромобиль способен потерять до 45% своего обычного диапазона при холодных температурах.

Однако, все зависит от конкретного электромобиля, а также от способа нагрева. Как изменяется запас хода популярных электромобилей при холодных температурах, можете ознакомиться в нашей популярной статье: Подготовка электромобиля к зиме: все что нужно знать.

Что более эффективно: тепловой насос или резистивный нагреватель?

Измерение и сравнение энергоэффективности тепловых насосов и резистивных нагревателей были основной темой, которая интересовала водителей электромобилей в последние несколько лет, поэтому мы надеемся пролить свет на основе лучших доступных исследований.

Чтобы определить, что же более эффективно: тепловой насос или резистивный нагреватель, нам нужно использовать такое понятие, как коэффициент производительности (COP) - отношение тепла, производимого и переданного в кабину, к энергии, необходимой для создания и перемещения этого тепла.

И вот здесь становится интересно: хотя эффективность теплового насоса достаточно низка (около 50%), он может производить тепло, используя меньше энергии. COP теплового насоса достигает 3-4, то есть 3-4 единицы тепла передаются на каждую 1 единицу потребленной электроэнергии. В то же время резистивный нагреватель, который превращает 100% энергии в тепло, имеет COP 1.

Вывод: тепловой насос в 3-4 раза эффективнее резистивного нагревателя.

Одной из главных тем дискуссий на форумах электромобилей является температура, при которой тепловые насосы перестают быть эффективнее резистивных обогревателей.

Например: популярное замечание состоит в том, что зимой, при сильном морозе, тепловой насос не будет производить достаточно тепла или не сэкономит вам никакого диапазона, чем традиционный резистивный обогреватель. 

Recurrent собрал имеющиеся данные по эффективности тепловых насосов и резистивных нагревателей при различных температурах (в условиях замерзания и ниже нуля).

В данных исследованиях мы видим, что тепловые насосы имеют значительные преимущества в сохранении запаса хода, от 25 до 31% экономиии по сравнению с обычным (резистивным) нагревателем. Кстате, на нашем сайте в продаже есть много вариантов электромобилей с тепловым насосом как подержанных, так и новых.

Как работает тепловой насос в электромобиле?

Работу теплового насоса можно разделить на 4 этапа:

1. Естественно нагретый антифриз направляется в испаритель теплового насоса, где тепло передается циркулирующей в установке охлаждающей жидкости. Испаритель превращает теплоноситель в газ (испарение).
2. Газ всасывается в компрессор для повышения давления газа. Когда воздух сжимается, его температура повышается. Температура газа увеличивается до 80°C.
3. Сжатый газ передается в конденсатор, где тепло передается воде в конденсаторе.
4. Затем тепло циркулирует во внутренней части кабины, а газ превращается в жидкую форму и возвращается обратно к испарителю теплового насоса через расширительный клапан. Далее цикл повторяется.

Типы тепловых насосов

Воздушный тепловой насос

Воздушный тепловой насос (ASHP) является наиболее распространенным, используемым в электромобилях. Он работает путём поглощения тепла наружного воздуха и передачи его внутрь автомобиля, чтобы нагреть его. В режиме охлаждения он работает обратно, поглощая тепло изнутри автомобиля и передавая его внешнему воздуху.

ASHP эффективны и экономически выгодны, но на их работу могут повлиять экстремальные температуры.

Наземный тепловой насос

Грунтовый тепловой насос (GSHP) работает поглощая тепло от земли и передавая его внутрь автомобиля, чтобы нагреть его. В режиме охлаждения он работает обратно, поглощая тепло изнутри автомобиля и передавая его земле.

GSHP более эффективны, чем ASHP, но они также дороже в установке. На них также меньше влияют экстремальные температуры, что делает их хорошим выбором для транспортных средств, которые будут использоваться в очень холодном или очень жарком климате.

Гибридный тепловой насос

Гибридный тепловой насос объединяет ASHP и GSHP, чтобы обеспечить преимущества обоих. Он использует ASHP для обеспечения тепла и охлаждения при умеренных температурах и переключается на GSHP при экстремальных температурах, чтобы обеспечить более эффективный нагрев и охлаждение.

Гибридные тепловые насосы дороже ASHP, но дешевле GSHP. Они хороший выбор для автомобилей, которые будут использоваться в различных климатических условиях.

Преимущества использования теплового насоса

Экономия средств

Использование теплового насоса позволяет экономить средства для водителей. Поскольку для работы тепловых насосов требуется меньше энергии, они могут снизить количество электроэнергии, необходимой для питания автомобиля. Это приводит к снижению счетов за электроэнергию и уменьшению общих эксплуатационных расходов для владельцев электромобилей.

Преимущества теплового насоса в холодные месяцы

Вы можете предварительно разогреть электромобиль (EV) с помощью мобильного приложения перед началом путешествия. Таким образом, в холодный зимний день у вас будет тепло внутри кабины! Ну и, конечно же, экономия электроэнергии увеличивает запас хода Вашего электромобиля.

Экологические преимущества

Еще одним преимуществом использования теплового насоса EV является его экологическая польза. Поскольку тепловые насосы требуют меньше энергии для обогрева или охлаждения салона, они могут снизить углеродный след электромобилей. Кроме того, некоторые тепловые насосы могут использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнечная или геотермальная энергия для питания систем отопления и охлаждения. Это может дополнительно снизить влияние электромобилей на окружающую среду.

Недостатки использования теплового насоса

Начальная стоимость

Одним из главных недостатков использования теплового насоса EV является начальная стоимость. Эта стоимость может стать препятствием для некоторых потребителей, желающих купить электромобиль с системой теплового насоса.

Ограниченная функциональность

Тепловые насосы менее эффективны при обогреве при очень низких температурах, как правило, ниже -15°C. Это означает, что в очень холодном климате владельцам электромобилей, возможно, придется полагаться на дополнительные отопительные системы, такие как резистивное отопление, чтобы сохранить тепло.

Кроме того, тепловые насосы неэффективны для охлаждения при очень высоких температурах, как правило, выше 40°C. В таких ситуациях владельцам электромобилей, возможно, придется полагаться на дополнительные системы охлаждения, такие как кондиционер.

Расходы на техническое обслуживание и ремонт

Тепловой насос является сложной системой, требующей специальных знаний и инструментов. Это обойдется дороже, чем для традиционных систем отопления и охлаждения. Кроме того, если система теплового насоса выходит из строя, ее, возможно, придется полностью заменить, что может быть дорогостоящим ремонтом.

Факторы, которые следует учитывать при выборе теплового насоса

Размер и емкость

Размер требуемого теплового насоса будет зависеть от размера вашего автомобиля и климата, в котором вы живете. Если тепловой насос слишком мал, он не сможет поддерживать комфортную температуру в автомобиле. Если тепловой насос слишком велик, он будет менее эффективным и может обойтись дороже в эксплуатации.

Климат и погодные условия

Если вы живете в более холодном климате, вам понадобится тепловой насос, который выдержит экстремальные температуры. Если вы живете в более теплом климате, вам понадобится тепловой насос, который сможет охлаждать ваш автомобиль в жаркую погоду.

Расходы на установку и обслуживание

Стоимость установки теплового насоса может варьироваться в зависимости от марки и модели агрегата, а также сложности монтажа. Расходы на техническое обслуживание будут также зависеть от марки и модели. Важно выбрать тепловой насос, который прост в обслуживании и имеет хорошую историю надежности.

Рейтинг энергоэффективности

Чем выше рейтинг энергоэффективности, тем эффективнее будет тепловой насос для обогрева или охлаждения вашего автомобиля. Выбор теплового насоса с высоким рейтингом энергоэффективности не только сэкономит ваши деньги на счетах за электроэнергию, но и поможет снизить ваш углеродный след.

Ответы на популярные вопросы водителей электромобилей

Тепловой насос используется только для отопления?

Нет. Тепловой насос можно использовать для охлаждения. В качестве примера Audi Q7 EV использует бортовой тепловой насос для отопления и охлаждения.

Тепловой насос является стандартной частью электромобилей?

Хотя некоторые изготовители предлагают тепловой насос в стандартной комплектации, большинство предлагают его как дополнительную опцию. Рекомендуем купить эту опцию.

Можно ли установить тепловой насос в электромобили после доставки?

Обычно это невозможно, учитывая сложность установки теплового насоса. Поэтому всегда заказывайте его при покупке.

Все ли тепловые насосы в электромобилях одинаковы?

Нет. Существует разница в технологии, подходе и достигнутой эффективности для разных производителей. В качестве примера Hyundai и Kia утверждают, что имеют одни из самых эффективных тепловых насосов, учитывая способность их технологии, динамически выбирать наиболее приемлемый источник тепла в определенный момент. Hyundai утверждает, что тепловой насос, встроенный в полностью электрический Hyundai Kona, может увеличить запас хода на электричестве зимой на 18%, что значительно превышает среднее улучшение (10 %).

Вывод

Поскольку электромобили становятся все более популярны, важность эффективных систем отопления и охлаждения становится все более очевидной. Тепловые насосы стали самым эффективным решением для систем отопления, вентиляции и кондиционирования в электромобилях, обеспечивая возможности обогрева и охлаждения с минимальным воздействием на радиус действия.