Холод. Наша главная проблема и в то же время наше главное достояние. Враг и, одновременно, защитник Земли Русской. А в последние годы — главная проблема электромобилей. И она, кажется, решена. Холод может греть. Более того, холод уже греет. Как? Сейчас узнаете.
Для начала встречайте нашего героя — Toyota Prius Plug-In Hybrid, он же Prius Prime. Подзаряжаемый гибридный хетчбэк с запасом хода на электротяге в 50 км. Ничем, казалось бы, не примечательный. Кроме одной огромной инновации. О которой говорят уже много десятилетий. И которую впервые применила на автомобиле именно Toyota. Имя ей — тепловой насос с впрыском газа, по-английски — gas injection heat pump.
Но сначала — немного предыстории. Недавно мы испытывали плагин-гибрид BMW X5 xDrive 40e. Его тест-драйв мы опубликуем в ближайшее время. Так вот, забегая вперед, скажем: эта без сомнения отличная машина спасовала перед русской зимой со смешной температурой воздуха — всего минус 8 градусов по Цельсию. И ведь у BMW была автономная система электроотопления — чтобы отопить салон и прогреть тяговую батарею, вовсе не требуется запускать бензиновый двигатель.
Казалось бы, воткни подзаряжаемый гибрид в обычную 220-вольтовую розетку и будет тебе счастье: машина за ночь зарядится, батарея будет в тепле, а в заранее запрограммированный час включится электрообогреватель салона и прогреет автомобиль. Садишься зимой за подогретый руль, опускаешь пятую точку в подогретое сиденье и, используя подогретую и полностью заряженную батарею, едешь на электротяге по своим делам.
Так вот, в BMW при температуре -8°C это не работает. Тока в 220-вольтовой розетке не хватает не только на обогрев батареи, но и на обогрев салона. В итоге электропечка, даже когда машина включена в розетку, расходует энергию не из сети, а из батареи, и с парковки вы выезжаете на холодном аккумуляторе, 20% заряда которого уже потрачено на обогрев салона.
В Toyota Prius PHV эта проблема решена. Как? За счет использования более эффективной «печки». Простите нас за долгое вступление, но именно о ее устройстве мы сейчас расскажем.
Собственно, технология не нова, просто в автомобилестроении ее ранее не применяли — не было смысла. Машины с ДВС вообще обходятся без электрообогрева: из-за низкого КПД двигателя внутреннего сгорания образуется очень много «лишнего» тепла — именно оно и используется для обогрева салона. В электромобилях лишней энергии нет, а значит для обогрева приходится использовать то, что может быть потрачено на движение. Согласитесь, энергию жалко.
Все мы видели обычные тепловые электрообогреватели — те, что используются в квартирах, на дачах, в офисах. В полном соответствии с первым законом термодинамики, даже если их КПД равен 100%, то для того, чтобы выделить в час два киловатта тепла, им требуется израсходовать два киловатта электроэнергии. При этом 100% КПД не бывает, а значит, требуется больше. Но можно ли потратить из батареи 1 киловатт электричества и закачать в автомобиль 3 киловатта тепла? Оказывается, можно.
Никакого вечного двигателя тут нет. Тепло берется не из ниоткуда, а из окружающей среды. Абсолютный ноль, как известно, равен -273,15 градусам по Цельсию. То есть все, что выше этого значения, в той или иной степени можно считать теплым.
Далее на сцену выходят хладагенты — замечательные вещества, которые меняют температуру в зависимости от давления. В принципе хладагентом может выступать все что угодно, например, воздух. Но эффективнее использовать специальные вещества — фреоны. Сожмешь такой газ — он нагреется, сбавишь давление — охладится.
А теперь представьте: мы имеем два радиатора, замкнутый контур с хладагентом, и посреди — компрессор. Сжимаем фреон — он нагревается. Загоняем его в радиатор — он отдает свое тепло, нагревая окружающий воздух. Далее снижаем давление — фреон резко остывает. Загоняем холодный газ в другой радиатор — он начинает нагреваться. Впитывая тепло окружающего воздуха.
Ничего не напоминает? Да-да, я описываю устройство простого холодильника: именно таким образом вытягивается тепло изнутри морозильника наружу, где оно рассевается через решетчатый радиатор на задней стенке прибора.
По тому же принципу работает кондиционер, в том числе автомобильный — внешний радиатор рассеивает тепло наружу, внутренний — впитывает тепло из салона машины, охлаждая воздух.
А что если поставить систему задом на перед? Что если заставить климатическую систему работать на то, чтобы температура на улице была еще холоднее, а температура в салоне за счет этого — теплее?
Допустим, мы сжимаем хладагент и его температура становится +45°C. Гоним его во внутренний радиатор автомобильной печки. Тем он остывает до +40. Сбавляет давление и температура хладагента падает до -20 градусов. Но на улице -5°C! В итоге во внешнем радиаторе хладагент нагревается — хотя бы до -15°C. Мы вновь его сжимаем, нагревая тем самым до +45°C, и подаем в салонный радиатор — и так много раз.
Постойте, но что если температура снаружи опустится ниже -5°C? Да и внутри радиатор, разогретый до +45°C, не быстро согреет салон — надо бы потеплее. Все верно — классическая технология теплового насоса работает с разницей температур во внешнем и внутреннем радиаторах до 65 градусов — не больше. Так машину не согреешь.
Наука, однако, на выдумку хитра: тут на помощь приходит технология впрыска испаренного хладагента непосредственно в компрессор. Вкратце схема такова: теплый хладагент, после того как покинул радиатор салонной печки, делится на два потока. Один из них теряет давление и охлаждается. Другой остается сжатым и нагретым.
В дополнительном теплообменнике поток сжатого теплого фреона отдает свое тепло потоку холодного фреона с низким давлением. Далее охлажденный таким образом сжатый фреон разжимается и тем самым охлаждается еще сильнее — на сей раз уже не до -20°C, а до -30°C — то есть при температуре наружного воздуха в -5°C он может нагреться до -15°C быстрее.
Второй поток хладагента с низким давлением, подогретый теплообменником, впрыскивается в компрессор, где смешивается с первым потоком из внешнего радиатора. Но поскольку его температура изначально не очень низка, то и после сжатия хладагента из обоих потоков их температура возрастает не до +45°C, а уже до +55°C. В таком состоянии газ попадает в радиатор печки. И в систему обогрева тяговой батареи — тоже.
Согласитесь, -30°C в наружном радиаторе и +55°C в салонной печке — это уже что-то. Конкретно Toyota уверяет, что ее система способна обогревать салон и тяговую батарею при температуре окружающего воздуха не ниже -10 градусов по Цельсию. Если настали более существенные морозы — у гибрида заведется бензиновый ДВС.
Возникает резонный вопрос — а зачем все эти сложности? Чем плоха обычная электропечка? Ответ очевиден — система с тепловым насосом эффективнее минимум в три раза. Иными словами, если вы тратите 1 киловатт электричества на выработку тепловой энергии, то в лучшем случае вы получаете тот же 1 киловатт тепла. А на деле и того меньше: у печки КПД все-таки не достигает 100%. Если же вы тратите электричество не на выработку тепла, а на его «перекачку» с улицы в салон машины, то, затратив 1 киловатт, вы можете закачать в салон до 3 киловатт тепла!
Как видим, сделать такую систему непросто. Но, как показал пример Toyota – возможно. Судя по всему, обогрев электромобилей с помощью теплонасосов с промежуточным впрыском газа в скором времени станет стандартом для всех EV!
