Що таке тепловий насос в електромобілі? Як він працює і для чого потрібен?

Що таке тепловий насос в електромобілі?

Багато досліджень показує, що системи клімат-контролю (опалення та кондиціювання повітря; HVAC) є найбільшою системою споживання енергії в електромобілі, дані показують, що водій може очікувати втрати в середньому 30-40% запасу ходу, використовуючи звичайні системи обігріву.

Оскільки хвилювання щодо запасу ходу є основною проблемою, яка перешкоджає широкому впровадженню електромобілів, виробникам автомобілів вкрай важливо модернізувати системи опалення, вентиляції та кондиціонування, щоб вони були ефективнішими.

Теплові насоси для електромобілів — це ще одна інновація, яка «підвищує ефективність». По суті, тепловий насос працює за тим же принципом, що й рекуперативне гальмування, тобто вловлює «витрачену енергію», щоб повторно її використати (переробити) для покращення запасу ходу.

Тепловий насос не є новою технологією і насправді подібні технології використовуються вже кілька десятиліть, зокрема, у побутовій техніці, як-от холодильник (схоже, але навпаки).

Однак, щодо електромобілів він є відносно новим: у 2012 році японський виробник автомобілів Nissan став першим, хто встановив тепловий насос у повністю електричний автомобіль Nissan Leaf.

Які є системи обігрівання для електромобілів?

У звичайних бензинових і дизельних транспортних засобів, енергія (відпрацьоване тепло), що виділяється двигуном (силовим агрегатом), уловлюються для повторного використання для обігріву внутрішньої кабіни автомобіля.

Враховуючи, що електромобілі майже не мають відпрацьованого тепла, яке можна було б відправити в салон, вони повністю покладаються на електроенергію для виробництва тепла, яке можна розділити на дві основні категорії: резистивне опалення та теплові насоси.

Резистивне нагрівання (звичайний обігрівач який встановлений в більшості автомобілів) – схоже на обігрівач для вашого будинку. Електрика проходить через провідник для виробництва тепла, і це тепло спрямовується в кабіну через вентилятор. Хоча майже 100% споживаної енергії перетворюється на тепло, це енергоємний процес. Якщо ви забираєте енергію від батареї, щоб перетворити її на тепло, це буде прямим ударом у ваш радіус дії.

Тепловий насос – цей метод дуже схожий на кондиціонування повітря, але інвертований. Повітря забирається ззовні та проходить через конденсатор, який містить холодоагент. Цей розчин стискається, що підвищує температуру, дозволяючи гарячому повітрю закачуватися в кабіну. Цей процес, хоч і енергоємний, набагато ефективніший.

Скільки запасу ходу електромобіля втрачається під час обігрів салону?

Як показують дослідження, електромобіль здатен втратити аж до 45% свого звичайного діапазону за холодних температур.

Проте, все залежить від конкретного електромобіля, а також від способу нагрівання. Як змінюється запас ходу популярних електромобілів за холодних температур, можете ознайомитися в нашій популярній статті: Підготовка електромобіля до зими: все що потрібно знати.

Що ефективніше: тепловий насос чи резистивний нагрівач?

Вимірювання та порівняння енергоефективності теплових насосів і резистивних нагрівачів були основною темою, яка цікавила водіїв електромобілів протягом останніх кількох років, тому ми сподіваємося пролити світло на основі найкращих доступних досліджень.

Щоб визначити, що ж є ефективнішим: тепловий насос чи резистивний нагрівач, нам потрібно використовувати таке поняття, як коефіцієнт продуктивності (COP) - відношення тепла, виробленого та переданого в кабіну, до енергії, необхідної для створення та переміщення цього тепла.

І ось тут стає цікаво: хоча ефективність теплового насоса досить низька (близько 50%), він може виробляти тепло, використовуючи менше енергії. COP теплового насоса досягає 3-4, тобто 3-4 одиниці тепла передаються на кожну 1 одиницю спожитої електроенергії. Водночас резистивний нагрівач, який перетворює 100% енергії на тепло має COP 1.

Висновок: тепловий насос у 3-4 рази ефективніший резистивного нагрівача.

Однією з головних тем дискусій на форумах електромобілів є температура, при якій теплові насоси перестають бути ефективнішими за резистивні обігрівачі.

Наприклад: популярне зауваження полягає в тому, що взимку, при сильному морозі, тепловий насос не вироблятиме достатньо тепла або не заощадить вам жодного діапазону, ніж традиційний резистивний обігрівач. 

Recurrent зібрав наявні дані щодо ефективності теплових насосів і резистивних нагрівачів за різних температур (в умовах замерзання та нижче нуля).

В даних дослідженнях ми бачимо, що теплові насоси мають значні переваги в збереженні запасу ходу, від 25 до 31% економії порівняно зі звичайним (резистивним) нагрівачем. Доречі, на нашому сайті в продажі є багато варіантів електромобілів з тепловим насосом як вживаних, так і нових.

Як працює тепловий насос в електромобілі?

Роботу теплового насоса можна розділити на 4 етапи:

1. Природно нагрітий антифриз направляється у випарник теплового насоса, де тепло передається охолоджувальній рідині, що циркулює в установці. Випарник перетворює теплоносій в газ (випаровування).
2. Газ всмоктується в компресор для підвищення тиску газу. Коли повітря стискається, його температура підвищується. Температура газу підвищується до 80°C.
3. Стиснений газ передається в конденсатор, де тепло передається воді в конденсаторі.
4. Потім, тепло циркулює у внутрішній частині кабіни, а газ перетворюється в рідку форму та повертається назад до випарника теплового насоса через розширювальний клапан. Далі цикл повторюється.

Типи теплових насосів

Повітряний тепловий насос

Повітряний тепловий насос (ASHP) є найпоширенішим, який використовується в електромобілях. Він працює шляхом поглинання тепла зовнішнього повітря та передачі його всередину автомобіля, щоб нагріти його. У режимі охолодження він працює у зворотному напрямку, поглинаючи тепло зсередини автомобіля та передаючи його зовнішньому повітрю.

ASHP є ефективними та економічно вигідними, але на їхню роботу можуть вплинути екстремальні температури.

Наземний тепловий насос

Грунтовий тепловий насос (GSHP) працює, поглинаючи тепло від землі та передаючи його всередину автомобіля, щоб нагріти його. У режимі охолодження він працює у зворотному напрямку, поглинаючи тепло зсередини автомобіля та передаючи його землі.

GSHP є більш ефективними, ніж ASHP, але вони також дорожчі в установці. На них також менше впливають екстремальні температури, що робить їх хорошим вибором для транспортних засобів, які будуть використовуватися в дуже холодному або дуже жаркому кліматі.

Гібридний тепловий насос

Гібридний тепловий насос поєднує ASHP і GSHP, щоб забезпечити переваги обох. Він використовує ASHP для забезпечення тепла та охолодження за помірних температур і перемикається на GSHP за екстремальних температур, щоб забезпечити більш ефективне нагрівання та охолодження.

Гібридні теплові насоси дорожчі за ASHP, але дешевші за GSHP. Вони є хорошим вибором для автомобілів, які будуть використовуватися в різних кліматичних умовах.

Переваги використання теплового насоса

Економія коштів

Використання теплового насоса дає змогу економити кошти для водіїв. Оскільки для роботи теплових насосів потрібно менше енергії, вони можуть зменшити кількість електроенергії, необхідної для живлення автомобіля. Це веде до зниження рахунків за електроенергію та зменшення загальних експлуатаційних витрат для власників електромобілів.

Переваги теплового насоса в холодні місяці

Ви можете попередньо розігріти електромобіль (EV) за допомогою мобільного додатку перед початком подорожі. Таким чином у холодний зимовий день у вас буде тепло всередині кабіни! Ну, і звісно ж, економія електроенергії, збільшує запас ходу Вашого електромобіля.

Екологічні переваги

Ще однією перевагою використання теплового насоса EV є його екологічна користь. Оскільки теплові насоси потребують менше енергії для обігріву чи охолодження салону, вони можуть зменшити вуглецевий слід електромобілів. Крім того, деякі теплові насоси можуть використовувати відновлювані джерела енергії, такі як сонячна або геотермальна енергія, для живлення систем опалення та охолодження. Це може додатково зменшити вплив електромобілів на навколишнє середовище.

Недоліки використання теплового насоса

Початкова вартість

Одним із головних недоліків використання теплового насоса EV є початкова вартість. Ця вартість може стати перешкодою для деяких споживачів, які бажають придбати електромобіль із системою теплового насоса.

Обмежена функціональність

Теплові насоси менш ефективні при обігріві за надзвичайно низьких температур, як правило, нижче -15°C. Це означає, що в дуже холодному кліматі власникам електромобілів, можливо, доведеться покладатися на додаткові системи опалення, такі як резистивне опалення, щоб зберегти тепло.

Крім того, теплові насоси неефективні для охолодження за надзвичайно високих температур, як правило, вище 40°C. У таких ситуаціях власникам електромобілів, можливо, доведеться покладатися на додаткові системи охолодження, такі як кондиціонер.

Витрати на технічне обслуговування та ремонт

Тепловий насос є складною системою, яка потребує спеціальних знань та інструментів. Це коштуватиме дорожче, ніж для традиційних систем опалення та охолодження. Крім того, якщо система теплового насоса виходить з ладу, її, можливо, доведеться повністю замінити, що може бути дорогим ремонтом.

Фактори, які слід враховувати при виборі теплового насоса

Розмір і місткість

Розмір теплового насоса, який вам потрібен, залежатиме від розміру вашого автомобіля та клімату, у якому ви живете. Якщо тепловий насос замалий, він не зможе підтримувати комфортну температуру в автомобілі. Якщо тепловий насос занадто великий, він буде менш ефективним і може обійтися дорожче в експлуатації.

Клімат і погодні умови

Якщо ви живете в холоднішому кліматі, вам знадобиться тепловий насос, який витримає екстремальні температури. Якщо ви живете в теплішому кліматі, вам знадобиться тепловий насос, який зможе охолоджувати ваш автомобіль у жарку погоду.

Витрати на встановлення та обслуговування

Вартість установки теплового насоса може варіюватися в залежності від марки і моделі агрегату, а також від складності монтажу. Витрати на технічне обслуговування також залежатимуть від марки та моделі. Важливо вибрати тепловий насос, який простий в обслуговуванні та має гарну історію надійності.

Рейтинг енергоефективності

Чим вищий рейтинг енергоефективності, тим ефективнішим буде тепловий насос для обігріву або охолодження вашого автомобіля. Вибір теплового насоса з високим рейтингом енергоефективності не тільки заощадить ваші гроші на рахунках за електроенергію, але й допоможе зменшити ваш вуглецевий слід.

Відповіді на популярні запитання водіїв електромобілів

Тепловий насос використовується тільки для опалення?

Ні. Тепловий насос також можна використовувати для охолодження. Як приклад, Audi Q7 EV використовує бортовий тепловий насос для опалення та охолодження.

Тепловий насос є стандартною частиною електромобілів?

Хоча деякі виробники пропонують тепловий насос у стандартній комплектації, більшість пропонують його як додаткову опцію. Рекомендуємо придбати опцію.

Чи можна встановити тепловий насос в електромобіль після доставки?

Зазвичай це неможливо, враховуючи складність встановлення теплового насоса. Тому завжди замовляйте його під час покупки.

Чи всі теплові насоси в електромобілях однакові?

Ні. Існує різниця в технології, підході та досягнутій ефективності для різних виробників. Як приклад, Hyundai і Kia стверджують, що мають одні з найефективніших теплових насосів, враховуючи здатність їхньої технології динамічно вибирати найбільш прийнятне джерело тепла в певний момент. Hyundai стверджує, що тепловий насос, вбудований у повністю електричний Hyundai Kona, може збільшити запас ходу на електриці взимку на 18%, що значно перевищує середнє покращення (10%).

Висновок

Оскільки електромобілі стають все більш популярними, важливість ефективних систем опалення та охолодження стає все більш очевидною. Теплові насоси стали найефективнішим рішенням для систем опалення, вентиляції та кондиціонування в електромобілях, забезпечуючи можливості як обігріву, так і охолодження з мінімальним впливом на радіус дії.